半導(dǎo)體二極管及其基本電路1

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2008.31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(shí)2.2 PN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22.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 2.1.1 半導(dǎo)體材料 2.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 2.1.3 本征半導(dǎo)體 2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體32.1.1 半導(dǎo)體材料典型的半導(dǎo)體有硅(Si)和鍺(Ge)以及砷化鎵(GaAs)。一、導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。4二、半導(dǎo)體

2、的導(dǎo)電特點(diǎn):（1）當(dāng)受到外界溫度、光照等環(huán)境因素的影響時(shí)，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(huì)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(huì)具有這些特點(diǎn)？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(jià)鍵的晶體結(jié)構(gòu)。52.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)GeSi通過(guò)一定的工藝過(guò)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(jià)電子）都是四個(gè)。6在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：7硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)

3、鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子8共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，在絕對(duì)零度（0K）和無(wú)外界激發(fā)的條件下，束縛電子很難脫離共價(jià)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(shí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+49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(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，

4、相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。10+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(duì)，這個(gè)過(guò)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。11二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4 在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。12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(qiáng)，溫度是影響

5、半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)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。132.1.4 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(huì)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？14一、N 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子

6、的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)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(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。15+4+4+5+4多余電子磷原子思考：N 型半導(dǎo)體中的兩種載流子數(shù)量是否相等？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2. 由于本征激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴對(duì)。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。16二、P 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜

7、質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)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。17三、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(dòng)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。18 摻入雜 質(zhì)對(duì)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=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃

8、度: 4.961022/cm3 3以上三個(gè)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=51016/cm3 四、雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響19 本征半導(dǎo)體、本征激發(fā) 本節(jié)中的有關(guān)概念end自由電子空穴N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價(jià))P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價(jià)) 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體復(fù)合*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響溫度載流子濃度導(dǎo)電能力*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力202.2 PN結(jié)的形成及特性 2.2.1 PN結(jié)的形成 2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2.2.3 PN結(jié)的反向擊穿 2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng)2

9、12.2.1 PN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(guò)載流子的運(yùn)動(dòng)，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。載流子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):由于濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng):在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng)221、濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2、擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)3、內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)阻止多子的擴(kuò)散4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)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(guò)程可分成4步。(動(dòng)畫)內(nèi)電場(chǎng)23 空間電荷區(qū)+NP內(nèi)電場(chǎng)對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 24PN結(jié)形成的物理過(guò)程： 因濃度差 空間電荷

10、區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)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(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 擴(kuò)散 漂移否是寬252.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才表現(xiàn)單向?qū)щ娦?。擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將被打破。加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏加反向電壓，簡(jiǎn)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)?漂移 擴(kuò)散 很小的反向漂移電流（少子） 高電阻 反向截止261. 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。27PN結(jié)特性描述：其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）1、PN結(jié)的伏安特性2、PN結(jié)方程特性平坦反向截止 一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的陡峭電阻小正向?qū)ㄕ颍悍聪颍航品蔷€性28 2.2.3 PN