半導(dǎo)體二極管及其基本電路1課件

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2008.3第二章半導(dǎo)體二極管及其

基本電路2.1半導(dǎo)體的基本知識2.2PN結(jié)的形成及特性2.3半導(dǎo)體二極管2.4二極管基本電路及其分析方法2.5特殊二極管2.1半導(dǎo)體的基本知識

2.1.1半導(dǎo)體材料2.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2.1.3本征半導(dǎo)體

2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特點:（1）當(dāng)受到外界溫度、光照等環(huán)境因素的影響時，其導(dǎo)電能力有明顯變化。（2）向純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。光敏、熱敏特性摻雜特性為什么半導(dǎo)體導(dǎo)電會具有這些特點？根本原因是由于半導(dǎo)體具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——共價鍵的晶體結(jié)構(gòu)。2.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。常見的半導(dǎo)體材料硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，在絕對零度（0K）和無外界激發(fā)的條件下，束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此很難導(dǎo)電；常溫下純凈半導(dǎo)體中的自由電子也很少，所以此時半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。2.1.3本征半導(dǎo)體一、本征激發(fā)在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征激發(fā)：由于熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對，這個過程稱為本征激發(fā)。自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。電子帶負(fù)電，空穴帶正電。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。2.空穴移動產(chǎn)生的電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。思考：雜質(zhì)半導(dǎo)體可能有幾種類型？一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。二、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體注：雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

四、雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響2.2PN結(jié)的形成及特性

2.2.1PN結(jié)的形成

2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

2.2.3PN結(jié)的反向擊穿

2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)2.2.1PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的運動，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。載流子的運動：擴(kuò)散運動:由于濃度差產(chǎn)生的載流子移動漂移運動:在電場作用下，載流子的移動1、濃度差多子的擴(kuò)散運動2、擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場3、內(nèi)電場少子的漂移運動阻止多子的擴(kuò)散4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步。(動畫)內(nèi)電場PN結(jié)形成的物理過程：

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)擴(kuò)散>漂移否是寬2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才表現(xiàn)單向?qū)щ娦?。擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡將被打破。加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏擴(kuò)散>漂移大的正向擴(kuò)散電流（多子）低電阻正向?qū)ㄆ?gt;擴(kuò)散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止1.PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.加正向電壓PN結(jié)導(dǎo)通

較大的正向電流結(jié)電阻很低。3.加反向電壓PN

結(jié)截止

很小的反向電流漂移結(jié)電阻很高。*結(jié)論：上述特性可用曲線表示。

2.2.3PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)