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本文由田茂帮贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第二章 半导体基本知识 半导体及其特性 本征半导体 杂质半导体 PN结 结 一、半导体及其特性 根据导电能力（电阻率）的差异，物体划分为： 根据导电能力（电阻率）的差异，物体划分为：导 半导体和 体、半导体和绝缘体 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 铁 导体 铜等金属元素等低价元素， 子在外电场作用下很容易产生定向移动， 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子最外层电子受原子 惰性气体、橡胶等， 绝缘体 惰性气体 核束缚力很强， 核束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电 半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 硅 ）、锗 ），均为四价元素 半导体 ）、 ），均为四价元素， 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间 一、半导体及其特性 半导体的特点： 半导体的特点： 热敏性: 导电能力随温度升高而增强，如热敏电阻 光敏性: 导电能力随光照强度的变化而变化 掺杂性: 导电能力随掺杂浓度的变化而发生显著变化 二、本征半导体 1. 什么是本征半导体？ 什么是本征半导体？ 导电性介于导体和半导体之间的物质称为半导体 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 本征半导体的特点： 本征半导体的特点： 无杂质 排列整齐 结构稳定 二、本征半导体 2. 本征半导体的结构 共价键 由于热运动， 由于热运动，具有足够能 量的价电子挣脱共价键的 束缚而成为自由电子 自由电子的产生， 自由电子的产生，使共价 键中留有一个空位置 共价电子与空穴相碰同时消失， 共价电子与空穴相碰同时消失，称为复合 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运 浓度一定 动加剧，挣脱共价键的电子增多， 动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大 二、本征半导体 3. 本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子 外加电场时， 外加电场时，带负电的自由电子和带 正电的空穴均参与导电， 正电的空穴均参与导电，且运动方向相 由于载流子数目很少， 反。由于载流子数目很少，导电性很差 温度升高，热运动加剧， 温度升高，热运动加剧，载流子的浓 度增大， 度增大，导电性增强 热力学温度0K时 热力学温度 时，本征半导体不导电 共价键 自由电子和空穴称为半导体中的载流子 三、杂质半导体 1. N型半导体 型半导体 多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入的杂质越多， 子导电。掺入的杂质越多， 多子的浓度越高， 多子的浓度越高，导电性越 强，实现导电性可控 磷（P） ） 三、杂质半导体 2. P型半导体 型半导体 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电， 型半导体主要靠空穴导电， 型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多， 掺入杂质越多，空穴浓度越 高，导电性越强 硼（B） ） 四、PN结 1. PN结的形成 结的形成 将一块P型半导体和 型半导体紧密连接在一起，这种紧密连接 将一块 型半导体和N型半导体紧密连接在一起， 型半导体和 型半导体紧密连接在一起 不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接。此时将在N型半 不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接。此时将在 型半 导体和P型半导体的结合面上 型半导体的结合面上形成如下物理过程 导体和 型半导体的结合面上形成如下物理过程 P区 P区 N区 N区 N型半导体中的多子电 型半导体中的多子电 子的浓度远大于P型半导体 子的浓度远大于 型半导体 中少子电子的浓度； 型半 中少子电子的浓度；P型半 导体中多子空穴的浓度远大 于N型半导体中少子空穴的 型半导体中少子空穴的 浓度。 浓度。于是在两种半导体的 界面上会因载流子的浓度差 发生了扩散运动 发生了扩散运动 扩散电流 空穴 电子 多子 空穴 电子 少子 四、PN结 1. PN结的形成 结的形成 P PN结 N 内电场 P PN结 N 随着扩散运动的进行，在界面 随着扩散运动的进行，在界面N 区的一侧，随着电子向P区的扩散 区的扩散， 区的一侧，随着电子向 区的扩散，杂 质变成正离子；在界面P区的一侧 区的一侧， 质变成正离子；在界面 区的一侧，随 着空穴向N区的扩散 杂质变成负离子。 区的扩散， 着空穴向 区的扩散，杂质变成负离子。 杂质在晶格中是不能移动的，所以在N 杂质在晶格中是不能移动的，所以在 型和P型半导体界面的 型半导体界面的N型区一侧会形 型和 型半导体界面的 型区一侧会形 成正离子薄层； 成正离子薄层；在P型区一侧会形成负 型区一侧会形成负 离子薄层。 离子薄层。这种离子薄层会形成一个 电场，方向是从N区指向 区指向P区 称为内 电场，方向是从 区指向 区，称为 电场 内电场的出现及内电场的方向会对 扩散运动产生阻碍作用， 扩散运动产生阻碍作用 ， 限制了扩散 运动进一步发展。 运动进一步发展 。 在半导体中还存在 少子， 少子 ， 内电场的电场力会对少子产生 作用，促使少数载流子产生漂移运动 作用，促使少数载流子产生 内电场 漂移电流 扩散电流 漂移电流 四、PN结 1. PN结的形成 结的形成 漂移电流的方向正好与扩散电流的方向相反，扩散运动越强， 漂移电流的方向正好与扩散电流的方向相反，扩散运动越强，内 电场越强，对扩散运动的阻碍就越强；内电场越强， 电场越强，对扩散运动的阻碍就越强；内电场越强，理应漂移电流 就越大。因少数载流子的浓度与温度有关，在一定的温度条件下， 就越大。因少数载流子的浓度与温度有关，在一定的温度条件下， 少数载流子的浓度一定，所以漂移电流的大小就一定， 少数载流子的浓度一定，所以漂移电流的大小就一定，不会随内电 场加大而继续加大。从而在某个温度条件下， 场加大而继续加大。从而在某个温度条件下，扩散和漂移会达到动 态平衡， 态平衡，扩散电流和漂移电流相等 P PN结 N 扩散电流 内电场 漂移电流 扩散电流 漂移电流 四、PN结 1. PN结的形成 结的形成 可以用下列箭头来描述这一过程 因浓度差 形成多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 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 达到动态平衡 我们称从N区指向P区的内电场为PN结。因为离子薄层中的多数载 流子已经扩散尽了，缺少多子，所以这个离子薄层也称为耗尽层。所 以PN结有许多别名，离子薄层、空间电荷区、耗尽层、内电场等等。 以上PN结的形成过程可以通过动画进一步学习 四、PN结 2. PN结的单向导电性 结的单向导电性 PN结最重要的特性：单向导电特性 结最重要的特性： 结最重要的特性 实验：PN结的导电性。按如下方式进行 结导电性的实验，因为 结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验 结导电性的实验， 结的导电性 PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来 结加上封装外壳和电极引线就是二极管， 结加上封装外壳和电极引线就是二极管 当成PN结 区为正极； 区为负极 对于图示的实验电路， 区为负极。 当成 结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路，（表 区为正极 示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。 示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。 电源正极 二极管负极黑色圆 环标记在右侧 发光二极管发光 四、PN结 2. PN结的单向导电性 结的单向导电性 此时发光二极管不发光，说明 结不导电 结不导电。 此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明 PN结（二极管）具有单向导电性。 结 二极管）具有单向导电性。 将PN结左右翻转180，二极管负极 接电源正极，黑色标记在左侧。 发光二极 管熄灭 四、PN结 PN结具有单向导电性，若P区的电位高于 区，电 结具有单向导电性， 区的电位高于N区 结具有单向导电性 区的电位高于 流从P区流到 区流到N区 结呈低阻性， 流从 区流到 区，PN结呈低阻性，所以电流大； 结呈低阻性 所以电流大； 区的电位低于N区 电流从N区流到 区流到P区 若P区的电位低于 区，电流从 区流到 区，PN结 区的电位低于 结 呈高阻性，所以电流小。如果外加电压使： 呈高阻性，所以电流小。如果外加电压使： PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏 正向电压，简称正偏； 正向电压 正偏 PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏 反向电压，简称反偏。 反向电压 反偏 下面对PN结的单向导电性进行解释。 下面对 结的单向导电性进行解释。 结的单向导电性进行解释 四、PN结 2. 1 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 PN结 P 外电场 内电场 内电场 N IF 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与 结内 外加的正向电压有一部分降落在 结区，方向与PN结内 结区 电场方向相反，削弱了内电场。于是， 电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子扩 散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流， 散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流， 可忽略漂移电流的影响， 结呈现低阻性。 结呈现低阻性 可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 四、PN结 2. 2 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 PN结加反向电压时的导电情况如图所示。外加的反向电压有一部 结加反向电压时的导电情况如图所示。 结加反向电压时的导电情况如图所示 分降落在PN结区 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场。 结区， 结内电场方向相同， 分降落在 结区，方向与 结内电场方向相同，加强了内电场。 PN结 P 外电场 内电场 内电场 N N 内电场对多子扩散运动的阻碍 增强，扩散电流大大减小。此时PN 增强，扩散电流大大减小。此时 结区的少子在内电场作用下形成的 漂移电流大于扩散电流， 漂移电流大于扩散电流，可忽略扩 散电流， 结呈现高阻性。 结呈现高阻性 散电流，PN结呈现高阻性 在一定的温度条件下， 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， 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， 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， 本上与所加反向电压的大小无关， 这个电流也称为反向饱和电流 IS 。 这个电流也称为 IS 四、PN结 2. 3 PN结的电容效应 结的电容效应 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有 结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化， 结外加电压变化时 电荷积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为 电荷积累和释放的过程，与电容的充放电相同， 势垒电容C 势垒电容 b 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度 结外加的正向电压变化时， 结外加的正向电压变化时 及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程， 及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容 称为扩散电容 扩散电容C 称为扩散电容 d 结电容： 结电容：Cj=Cb+Cd 结电容不是常量！ 结外加电压频率高到一定程度， 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则 结外加电压频率高到一定程度 失去单向导电性！ 失去单向导电性！ 思考题： 为什么将自然界导电性能中等的半导体制 成本征半导体，导电性能极差， 成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 改善导电性能？ 杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？多子 还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高频率？ 为什么半导体器件有最高频率？ 第三章 晶体二极管 晶体二极管的结构及分类 二极管的特性 二极管的主要参数 二极管的简易测试 二极管的应用 滤波电路 1. 晶体二极管的结构及分类 1.1 二极管的结构 结封装， 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管 结封装 引出两个电极， 小功率 二极管 大功率 二极管 稳压 二极管 发光 二极管 PN结+管壳 引线 结 管壳+引线 管壳 1. 晶体二极管的结构及分类 1.2 二极管的类型 点接触型：结面积小、结电容小、故结允许的电流小、 点接触型：结面积小、结电容小、故结允许的电流小、 最高工作频率高 金属触丝 N型锗片 阳极引线 阴极引线 铝合金小球 N 型硅 阳极引线 PN 结 金锑合金 底座 外壳 阴极引线 面接触型：结面积大、结电容大、故结允许的电流大、 面接触型：结面积大、结电容大、故结允许的电流大、 最高工作频率低 1. 晶体二极管的结构及分类 1.2 二极管的类型 平面型：结面积可小、可大、小的工作频率高、 平面型：结面积可小、可大、小的工作频率高、大的结 允许电流大 阳极引线 二氧化硅保护层 P 型硅 N型硅 阴极引线 二极管的符号 1. 晶体二极管的结构及分类 1.2 二极管的类型 按半导体材料分： 按半导体材料分：硅二极管和锗二极管 按用途划分： 按用途划分