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1、 1.1.1 半导体材料半导体材料 1. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2. 本征半导体本征半导体 1.1.2 杂质半导体杂质半导体半导体的导电机制半导体的导电机制1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.典型的半导体材料典型的半导体材料 元素元素硅（硅（Si）、锗（锗（Ge）化合物化合物砷化镓（砷化镓（GaAs）掺杂元素或化合物掺杂元素或化合物硼（硼（B）、磷（磷（P）1.1.1 半导体材料半导体材料: :导电能力介于导电与不导电之间导电能力介于导电与不导电之间3.3.半导体有半导体有温敏、光敏温敏、光敏和和掺杂掺杂等导电特性。等导电特性。根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。
2、根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。导体导体 绝缘体绝缘体导电能力用电阻率导电能力用电阻率( (或电导率）来描述：或电导率）来描述： 导体导体 1010-4-4cmcm绝缘体绝缘体10109 9cmcm2.导体、绝缘体和半导体的划分半导体半导体硅 14、锗 3214原子核原子核电子电子价电子价电子硅的原子结构硅的原子结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 电子不仅围绕在原子核运动电子不仅围绕在原子核运动,而且出现在相临原子的轨道而且出现在相临原子的轨道,成为成为公公用电子用电子,这样的组合就称为这样的组合就称为共价键共价键本征半导体本征半导体1.1.本征半导
3、体本征半导体化学成分纯净（化学成分纯净（99.9999999.99999）的半导体单晶体。须在单晶炉中提炼得到。的半导体单晶体。须在单晶炉中提炼得到。2.本征半导体的导电机制：本征半导体的导电机制： 自由电子和空穴对自由电子和空穴对热激发或光照使价电子热激发或光照使价电子获得挣脱共价键束缚的能量，成为自由电子，同获得挣脱共价键束缚的能量，成为自由电子，同时共价键中留下一个空穴。时共价键中留下一个空穴。（1）外电场使自由电子导电）外电场使自由电子导电（2）同时也使）同时也使相邻共价键中受束缚的价电子依次充相邻共价键中受束缚的价电子依次充填空穴，产生空穴的移动效果而导电填空穴，产生空穴的移动效果而
4、导电本征半导体内电子和空穴浓度相等本征半导体内电子和空穴浓度相等载流子载流子: 运运 载电荷的粒子载电荷的粒子本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。 复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填 补空穴，使两者同时消失.动态平衡: 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子 与空穴对，在一定温度下，本征半导体中载流子 的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相 等。(浓度公式P11)1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.半导体的掺杂半导体的掺杂 在本征半导体中人为掺入某些微量元素作为在本征半导体中人为掺
5、入某些微量元素作为杂质，称为杂质，称为杂质半导体。杂质半导体。在提炼单晶的过程中一在提炼单晶的过程中一起完成。起完成。 掺杂是为了掺杂是为了显著改变显著改变半导体中的自由电子浓半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。2.三价元素掺杂三价元素掺杂P 型半导体型半导体在硅（锗）单在硅（锗）单晶中掺入少量晶中掺入少量三价元素硼，三价元素硼，或铝、铟、镓或铝、铟、镓等，等， 三价元素原三价元素原子在晶格中缺子在晶格中缺少一个价电子，少一个价电子，从而造成一个从而造成一个空位空位空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在邻近空位很容易俘获邻近
6、四价原子的价电子，即在邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。产生一个空穴，空穴可以参与导电。空位俘获电子后，使杂质原子成为空位俘获电子后，使杂质原子成为负负原子。三价杂原子。三价杂质质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质(受主原子受主原子)。负离子束缚于晶格中，不参与导电。负离子束缚于晶格中，不参与导电。掺杂后掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度，型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度， 在在 P 型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成形成；自由电子是少数载流子，自由电子是少数载流子，它仍由热激发形成。它仍由热激发形成。3.五价元素掺杂五价元素掺
7、杂N 型半导体型半导体在硅（锗）单在硅（锗）单晶中掺入少量晶中掺入少量五价元素磷，五价元素磷，或砷、锑等，或砷、锑等，则五价元素原则五价元素原子在晶格中子在晶格中多多余一个价电子余一个价电子多余价电子容易成为自由电子，多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。可以参与导电。提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为成为正离子正离子，因此五价杂质原子称为，因此五价杂质原子称为施主杂质施主杂质(施主原子施主原子)。在在 N 型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子(多子多子)，它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成；空穴空穴是少数载流子是少数
8、载流子(少少子子)，它仍由热激发形成。它仍由热激发形成。 PN结：结：空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性伏安特性及其表达式结的单向导电性伏安特性及其表达式 PN结的其它性质反向击穿、电容效应结的其它性质反向击穿、电容效应本节中的有关概念本节中的有关概念 1.1.1 PN结的形成结的形成 1.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.1.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 1.1.4 PN结的电容效应结的电容效应1.1 PN结的形成及特性结的形成及特性1.1.1 PN结的形成结的形成1.PN结的形成条件结的形成条件 两
9、种导电类型的半导体两种导电类型的半导体共居共居于同一块半导体单于同一块半导体单晶中，在晶中，在交界面交界面上形成上形成PNPN结结 工艺简介：工艺简介：（1 1）合金法）合金法（2 2）电形成法）电形成法（3 3）平面扩散法）平面扩散法（1 1）两边的浓度差引起载流子的）两边的浓度差引起载流子的扩散运动扩散运动（2 2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移（3 3）扩散和漂移动态平衡：）扩散和漂移动态平衡：PNPN结结（空间电荷区、阻挡层、耗尽层空间电荷区、阻挡层、耗尽层） 负离子区与正离子区的宽度也相等负离子区与正离子区的宽度也相等(浓度相同浓度相同)，称为
10、，称为对称结对称结。2. PN结的形成过程结的形成过程因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。平衡。平衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，所以外观所以外观 PN 结中没有电流。结中没有电流。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 小小 结结考虑外加电压于考虑外加电压于PN结上，根据外加电压的极性有两种情况结上，根据外加电压的极性有两种情
11、况1.PN结加正向偏置电压（结加正向偏置电压（正偏）：正偏）：PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况1.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性外加电压使内电场减小以致外加电压使内电场减小以致 阻挡层变窄阻挡层变窄 多子形成的扩散电流增加多子形成的扩散电流增加 漂移电流减小漂移电流减小从电源正极有流入从电源正极有流入P P 区区的正向电流的正向电流P 区接电源正极，区接电源正极，或使或使 P 区的电位高于区的电位高于N 区区 2 PN结加反向偏置电压（结加反向偏置电压（反偏反偏, ,截止截止) )PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 由于由于在一定的温度条件下，由
12、本征激发决定的少子浓度在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 N 区接电源正极，区接电源正极，或使得或使得 N 区的电位高于区的电位高于 P 区区外加电压使内电场增加以致外加电压使内电场增加以致 阻挡层加宽阻挡层加宽 扩散电流进一步减小趋于零扩散电流进一步减小趋于零 少子形成的漂移电流居支配地少子形成的漂移电流居支配地位位从电源正极有流入从电源正极有流入N N 区的区的很小的反向电流很小的反向
13、电流 其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性( (正向正向特性特性/ /反向特性反向特性) )IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量常温下（常温下（T=300K）3 PN结结V- I 特性特性（伏安特性）表达式伏安特性）表达式vDPN结外加电压结外加电压PN结正偏时，具有较大的正向扩散结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻；电流，呈现低电阻； PN结导通结导通PN结反偏时，仅有很小的反向漂移结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。电流，呈现高电阻。 PN结截止结截止 PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。4 结论结论 当当PN结的反向电压增结的反向电压增加
14、到一定数值时，反向电加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象流突然快速增加，此现象称为称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。1.1.3 PN结的反向击穿结的反向击穿1.1.PNPN结的反向击穿现象结的反向击穿现象2.击穿的物理本质击穿的物理本质（1）雪崩击穿：）雪崩击穿：碰撞电离碰撞电离（2）齐纳击穿：）齐纳击穿：场致激发场致激发（3）热击穿：）热击穿： PN结过热结过热强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗功率损耗 PN结温升高结温升高本征激发加剧本征激发加剧反向电流反向电流更大更大连锁反应连锁反应反向电压增加反向电压增加
15、少子漂移加快少子漂移加快 动能增加动能增加 碰撞电离碰撞电离连锁反应连锁反应 势垒电容示意图势垒电容示意图电容是电荷在两个极板间的积累效应。电容是电荷在两个极板间的积累效应。外加电压变化外加电压变化势垒层宽度变化势垒层宽度变化积累在势垒层的电荷变化积累在势垒层的电荷变化1、势垒电容、势垒电容CB ：PN 结内载流子的复合相当于电荷的积结内载流子的复合相当于电荷的积累，所以累，所以PN结结呈现电容效应呈现电容效应正偏和反偏时都有正偏和反偏时都有C CB B。正正向电压越大，向电压越大， C CB越大。越大。1.2.4 PN结的电容效应结的电容效应扩散电容示意图扩散电容示意图2、扩散电容、扩散电容
16、CD：载流子向对方区域的扩散，必须载流子向对方区域的扩散，必须有浓度差，即有浓度差，即P(N)区区有电荷的积累。有电荷的积累。外加电压变化外加电压变化P(N)区区浓度差变化浓度差变化正偏时才存在正偏时才存在CD。正正向电流越大，向电流越大， CD越大越大1.2.4 PN1.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 PN结：结：空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性伏安特性及其表达式结的单向导电性伏安特性及其表达式 PN结的其它性质反向击穿、电容效应结的其它性质反向击穿、电容效应本节中的有关概念本节中的有关概念 1.2.1 半导
17、体二极管的结构半导体二极管的结构 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的参数二极管的参数实物图片实物图片1.2 半导体二极管半导体二极管 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个分立的结上加上引线和封装，就成为一个分立的半导体二极管元件。半导体二极管元件。1.2.1 半导体二极管的结构（物理形态）半导体二极管的结构（物理形态）根据制造材料的不同，有硅和锗两种不同种类的根据制造材料的不同，有硅和锗两种不同种类的二极管，两者性能上也有差异。二极管，两者性能上也有差异。根据制造工艺的不同，二极管有不同结构，分别根据制造工艺的不同，二极管有不同结构，分别适用于不同应用场合。适
18、用于不同应用场合。 (a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于结电容小，用于检波和变频等高检波和变频等高频电路。频电路。(b)(b)面接触型面接触型(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，结面积大，用于大电流整流电用于大电流整流电路。路。(c)(c)平面型平面型(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路往往用于集成电路制造工艺中。制造工艺中。PN 结面结面积可大可小，用于高频积可大可小，用于高频整流和开关电路中。整流和开关电路中。 (1
19、) (1) 二极管元件的伏安特性曲线逐点测量二极管元件的伏安特性曲线逐点测量1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性(2) (2) 二极管元件的伏安特性公式表示二极管元件的伏安特性公式表示 锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性反向击穿反向击穿特性特性反向特性反向特性正向特性正向特性 与与PNPN结的伏安特性类似而不完全相同结的伏安特性类似而不完全相同 硅管的正向压降硅管的正向压降0.5-0.70.5-0.7伏，锗管的正向压降伏，锗管的正
20、向压降0.2-0.30.2-0.3伏伏 硅管的反向电流极小，锗管的反向电流较大硅管的反向电流极小，锗管的反向电流较大正向正向: 温度升高温度升高 PN结电压减小（结电压减小（-2.5mV/）反向反向: 温度升高温度升高 反向电流增大（反向电流增大（ ） 1.二极管的分类二极管的分类1.2.3 二极管的参数二极管的参数按材料：硅二极管、锗二极管按结构：点接触、面结合按用途：整流管、检波管、稳压管、开关管(国标) ：国产二极管的命名方案 (1) 最大整流电流（平均值）最大整流电流（平均值） I IF F(2) 允许通过的最大正向平均电流。允许通过的最大正向平均电流。(3)(2)（最大整流电流时的）
21、正向压降（最大整流电流时的）正向压降 VF(4)(4)(3)(3)反向电流反向电流 I IR R：未击穿：未击穿(5)(4) 反向击穿电压反向击穿电压 VBR(6)(5)最高反向工作电压最高反向工作电压 VRM 2.二极管的直流参数（工作参数和极限参数）二极管的直流参数（工作参数和极限参数）(6)最高工作频率最高工作频率 PN结构造与二极管结构结构造与二极管结构 二极管的伏安特性：正向、反向、击穿二极管的伏安特性：正向、反向、击穿 二极管的参数定义：直流、交流、极限二极管的参数定义：直流、交流、极限 分立晶体管元件参数的典型值及离散性分立晶体管元件参数的典型值及离散性本节中的有关概念本节中的有
22、关概念end半导体二极管图片1半导体二极管图片2半导体二极管图片31.2.4 二极管的等效电路能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路二极管的等效电路。也称为等效模型 (根据器件物理原理/根据器件特性)。由伏安特性折线化得到的等效电路如图1.2.4所示。图1.2.4 由伏安特性折线化得到的等效电路一.伏安特性实线是折线化的伏安特性曲线，虚线是实际伏安特性曲线 1. 理想模型理想模型3. 折线模型折线模型 2. 恒压降模型恒压降模型一一. .由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路 根据根据得得Q点处的点处的微变电导微变电导则则常温下（常温下（T=300K）即即 二极管工
23、作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。 3.5.1 稳压二极管稳压二极管1. 符号及稳压特性符号及稳压特性(a)符号符号(b) 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电压击穿状态。工作在反向电压击穿状态。雪崩和齐纳特性雪崩和齐纳特性1.2.5 特殊二极管特殊二极管击穿曲线很陡,几乎平行纵轴,表现出稳定性(1) 稳定电压稳定电压VZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2. 2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数正常稳压时正常稳压时 VO =VZ# # 稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmaxend3. 3. 稳压电路稳压电路例例 P251.2.6 其他类型的二极管发光二极管 P25光电二极管 P26
