半导体及半导体二极管

1、 内内 容容 一 半导体的基本知识 二 PN结的形成及特性 三 半导体二极管 四 二极管基本电路及其分析方法 五 特殊二极管 一、半半 导导 体体 的的 基基 本本 知知 识识 1 半导体材料 2 半导体的共价键结构 3 本征半导体、空穴及其导电作用 4 杂质半导体 1、半导体材料、半导体材料 2、半导体的共价键结构、半导体的共价键结构 +4+4+4+4+4+4+4+4+4正正离离子子核核两两个个电电子子的的共共价价键键 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图(c)3 本征半导体及其导电作用本征半导体及其导电作用 本征半导体特点本征半导体特

2、点： 1). 1). 在在0 K0 K时，呈绝缘体特征。时，呈绝缘体特征。 2). T 2). T 受热激发（本征激发）产生受热激发（本征激发）产生 自由电子自由电子 空穴对空穴对。 下面是本征激发示意图和动画下面是本征激发示意图和动画 本征半导体：纯净的不含杂质的半导体 本征激发和复合的过程示意图动画1-13)有两种载流子可以参与导电: 自由电子和空穴。本征半导体特点：自由电子的定向运动形成了电子电流;空穴的定向运动也可形成空穴电流;它们的方向相反. 空穴在晶格中的移动示意图（动画1-2）4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质（在本征半导体中掺入微量的杂质（3 3价或价或5

3、5价元素）会使半导体的导电性能显著价元素）会使半导体的导电性能显著增强增强。 . P型半导体型半导体 . N型半导体型半导体P型半导体型半导体 即在即在SiSi（或（或GeGe）中掺入少量）中掺入少量3 3价元素（如硼、铝、铟等）。价元素（如硼、铝、铟等）。 P 型 半 导 体 的 结 构 示 意 图P型半导体的特点型半导体的特点：e. e. 在无外电场时，呈电中性在无外电场时，呈电中性a. 总的空穴数=本征激发空穴+杂质原子形成的 空穴b. 总的自由电子数=本征激发的电子数c. 空穴为多数载流子,自由电子为少数载流子d. 所掺杂质称为受主杂质（或P型杂质、 受主原子）N型半导体型半导体 即即

4、SiSi（或（或GeGe）中掺入）中掺入5 5价元素（如磷价元素（如磷P P） N型半导体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+5施主原子的多余的电子施主正离子型半导体的共价键结构图N型半导体的特点型半导体的特点：a. a. 总的空穴数总的空穴数= =本征激发空穴本征激发空穴b. b. 总的自由电子数总的自由电子数= =本征激发的自由电子数本征激发的自由电子数+ + 杂质原子杂质原子 产生的自由电子产生的自由电子c. c. 自由电子自由电子为为多数载流子多数载流子 空穴空穴为为少数载流子少数载流子( (少子）少子）d. d. 所掺杂质称为所掺杂质称为施主杂质施主杂质（或（或N N型杂质、

5、施主原型杂质、施主原子）子）e. e. 在无外电场时，呈电中性在无外电场时，呈电中性下面是杂质对半导体导电性能产生影响的典型数据。下面是杂质对半导体导电性能产生影响的典型数据。杂质对半导体导电性的影响： 掺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: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: (本征激发产生的） n = p =1.41010/cm31 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3二、 PN结的形成及其特性结的形成及其特性1、 PN结的形成结的形成2、 PN结的单向导电特性结的单向导电特

6、性3.PN结的反向击穿结的反向击穿4.PN结的电容效应结的电容效应1、 PN结的形成结的形成 因浓度差 多子的扩散运动由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 PN结形成 动画 13 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。空间电荷区，又称耗尽层，或势垒区。 2 、 PN结的单向导电性 如果外加电压使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； PN结具有单向导电性:若外加电压使电流从P区流到N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 P区的

7、电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 PN结的单向导电性结的单向导电性(1) PN结的外加正向电压时的情况分析结的外加正向电压时的情况分析(2) 结的外加反向电压时的情况分析结的外加反向电压时的情况分析(3) PN结的结的VI 特性特性(1) PN结结在外加正向电压时的情况分析外加正向电压时的情况分析 （动画1-4）PN结加正向电压时的导电情况形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大于漂移运动(1) PN结在外加正向电压时的情况分析PN结加反向电压时的导电情况(2) PN结的外加反向电压时的情况分析 （动画1-5）形成反向电流多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电

8、场增强漂移运动大于扩散运动(2) PN结的外加反向电压时的情况分析 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； 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结单向导电性:PN结外加正向电压时,扩散电流_漂移电流,耗尽层_。思考题： (3) PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性)1e (/SDD TVIivIS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）26mVV026. 0qkTVT 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。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿 可逆3. PN结反向击穿：4.

9、 PN结的电容效应(1) 扩散电容CD扩散电容示意图 当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。 (2) 势垒电容CB三、 半导体二极管1半导体二极管的结构2二极管的特性3二极管的参数1 半导体二极管的结构a（阳极、正极, anode ）k （阴极、负极, kathode ）D点接触型二极管的结构示意图 PN结面积小，结

10、电容小，用于检波和变频等高频电路。(1)、 点接触型二极管(2) 面接触型二极管面接触型 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。国产二极管型号命名规格号普通管 型锗材料二极管N型硅材料型硅材料型锗材料型锗材料 半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片2 二极管的V-I特性二极管的伏安特性曲线特性曲线如右图特性曲线如右图,可分为三个部分可分为三个部分正向特性正向特性(外加正向电压外加正向电压) 特点:当vD Vth时,呈低阻当iD较大时,vD基本恒定Vth: 门坎电压或死区电压（锗管的约0.1V，硅管的约0.5V）2 二极管的V-I特性b. 反向反向特性特性(外加反向电压外加反向电压)特

11、点：. . 呈高阻. . 反向电流基本恒定Is: Is: 反向饱和电流很小，微安级，受温度影响明显。c 反向击穿反向击穿特点: :. .电击穿时, ,呈低阻. .热击穿时断开 V VBRBR : : 反向击穿电压硅管和锗管的比较：硅二极管2CP10伏安特性锗二极管2AP15伏安特性硅管和锗管的比较： 正向导通压降 温度稳定性硅二极管 0.5 小 0.7 好锗二极管 0.1 较大 0.3 稍差 正向导通压降 温度稳定性反向偏置时：正向偏置时：二极管的V-I关系式：)1e (/SDD TVIiv)e (/SDDTVIiv3 二极管的参数:IDImiDiDt- vmvDvD 二极管电路例题例1.4.

12、1 整流电路如图1.4.1（a）所示，二极管的死区电压和导通压降可以忽略，vs为正弦信号，如图1.4.1（b）所示，分析电路功能，并画出输出电压波形。如何判断二极管在电路中是导通的还是截止u先假设二极管两端断开，确定二极管两端的电位差；u若电路出现两个或两个以上二极管，应先判断承受正向电压较大的管子优先导通，再按照上述方法判断其余的管子是否导通。u根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若为正电压且大于阈值电压，则管子导通，否则截止；解：将二极管两端断开VA=-12V,VB=-6V,所以二极管导通导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阴极的电位。所以，AO的电压值为-6V。

13、B例1.4.2 电路如图1.4.2所示，忽略二极管的导通压降，求AO的电压值。解：将二极管两端断开所以二极管D2先导通。二极管D2导通后：所以二极管D1最终截止例1.4.3 电路如图1.4.3所示，忽略二极管的导通压降，判断两个二极管的工作状态，并求AO的电压值。VVVVABAB437,23521VVAB2751截止解：断开二极管D：判别二极管是导通还是截止。VVA1151401010VVB5 . 3152555101822 1、半导体材料、半导体材料 空穴在晶格中的移动示意图（动画1-2） (3) PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性)1e (/SDD TVIivIS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）26mVV026. 0qkTVT (2) 势垒电容CB点接触型二极管的结构示意图 PN结面