1、,第三章 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体(semiconductor)的基本知识,3.3 半导体二极管(Diode),3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结(PN junction)的形成及特性,重点,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1.4 杂质半导体,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体有的硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,金属 绝缘体,半导体:,本征半导体,室温
2、下导电能力差,杂质半导体,具有了导电的能力,物体,导体,绝缘体,2、半导体原子间的排列结构,硅晶体的空间排列,3.1.2 半导体的共价键结构(Covalent Bond Structure),1、半导体的电子结构,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构:,一块半导体，其原子在空间排成规则的晶格结构,3.1.3 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,1、共价键结构,2、电子-空穴对：,共价键的结构相对稳定。在T=0K，即-273度时相当于绝缘体。当温度升高，共价电子由于热运动挣脱共价键的结构而成为自由电子。同时留下一个空穴。形成电子-空穴对。,本征激发（热激发）,
3、价电子,游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,复合,电子-空穴对的特征：,（1） 空穴可在半导体中运动。,空穴的移动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,今后的分析，将空穴看成是带正电的载流子。,（2） 自由电子带“-”电，空穴带“+”电。但因自由电子数很少，本征半导体的导电能力很弱。,（3） 半导体中参与导电：自由电子和空穴。,（4） 载流子的激发与复合。,在一定温度下达到一种动态平衡。半导体对外显电中性。,本征半导体中空穴与载流子的浓度对温度十分敏感。,当温度升高，本征半导体中空穴与载流子的浓度增加。,等效,3.1.4 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导
4、体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1. N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,N型半导体中，多数载流子为_，是由_ _产生。少多数载流子为_，是由_ 产生。,自由电子,和掺杂,本征激发,本征激发,空穴,掺杂形成的自由电子数=正离子数 本征激发的自由电子数=空穴
5、数,半导体对外呈中性。,2. P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,1、正、负离子不参与导电，因为不能移动。,2、多数载流子的浓度取决于掺杂杂质的浓度，而少数载流子的浓度取决于温度。,杂质半导体的示意表示法,3.2 PN结的形成及特性,3.2.2 PN结的形成,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的运动,掺
6、入杂质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,3. 杂质对半导体导电性的影响,载流子的运动,漂移,扩散,电场,浓度差、热运动,3.2.1 载流子的运动,3.2.2 PN结的形成,图2.2.1 PN结的形成,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡
7、，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,电位势垒(barrior),3.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(1) PN结加正向电压时,低电阻大的正向扩散电流,(2) PN结加反向电压时,高电阻很小的反向漂移电流,1、PN结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩 散电流；,结论,2、PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN结具有单向导电性。,(3) PN结V- I 特性表达式,其中：,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）
8、,在较高反向电压的作用下，PN结的空间电荷区存在一强电场，能破坏共价键而产生电子-空穴对。,3.2.3 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿,雪崩击穿,齐纳击穿,电击穿可逆,发生了碰撞电离和倍增效应。,不可逆,雪崩击穿,击穿类型,齐纳击穿,外电场作用,内电场作用,3.2.4 PN结的电容效应,(1) 势垒电容CB,描述势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应。,CB正比于PN结的面积S， 反比于耗尽区厚度。,势垒电容与结电阻并联，它只有在外加电压改变时才起作用。在PN结反向偏置时作用更明显。,研究的必要性,(2) 扩散电容CD,扩散电容示意图,C为CB与CD的总效果。,PN结加正向电压，扩散作用增强，从一方向另一方注入的少数载流子增多，使导体的电中性被破坏。为维持半导体的电中性，会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体。从而在半导体中形成空穴-电子对的储存。这种因扩散作用而形成的空穴-电子对存储所产生的电容效应，称为CD。,例：由P区进入N区的空穴一方面向右作扩散运动，同时在扩散过程中不断与电子复合。在正向电压一定时，由P区越过势垒进入N区的空穴与在N区和电子复合掉的空穴维持动态的平衡。,扩散电容,电容效应,势垒电容,正向导通时主导,反向截止时主导,
