晶體二極管課件

概

述

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，廣泛地使用晶體二極管、晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管。他們都是半導(dǎo)體器件，集成電路中的元、器件也是由半導(dǎo)體材料制成。本書首先討論半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)。本章重點(diǎn)是討論二極管的基本特性。

(a)晶體二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(b)電路符號(hào)

第一章晶體二極管1－1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)

導(dǎo)體為容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，如銀、銅、鋁等金屬。絕緣體為幾乎不傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，如橡膠、陶瓷、塑料……等。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等。

1-1-1本征半導(dǎo)體

（1）、本征半導(dǎo)體硅和鍺原子的簡(jiǎn)化模型將硅和鍺提純后制成晶體，其相鄰原子之間靠共價(jià)鍵結(jié)合，整塊晶體內(nèi)部晶格排列完全一致的晶體稱為單晶。硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體，它是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。

硅和鍺晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖

（3）、熱平衡載流子濃度

當(dāng)溫度一定時(shí)，上述本征激發(fā)和復(fù)合在某一熱平衡載流子濃度值ni（單位體積內(nèi)的載流子數(shù)）上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。其值隨溫度升高而迅速增大，在室溫附近，溫度每升高8℃時(shí)，硅的ni增加一倍、溫度每升高12℃時(shí)，鍺的

ni增加一倍，近似計(jì)算時(shí)認(rèn)為溫度每升高10℃時(shí)ni增大一倍。利用這種特性，本征半導(dǎo)體可以制成熱敏元件。另外，光照增強(qiáng)時(shí)

ni也增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，利用這種特性，本征半導(dǎo)體可以制成光敏元件。

1-1-2雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，摻入少量的五價(jià)元素雜質(zhì)(磷、銻或砷等)則可使晶體中的自由電子濃度大大增加，把這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。自由電子稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱為多子；空穴稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱為少子。

（2）、P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入少量的三價(jià)元素雜質(zhì)(硼、鎵、錮或鋁等)則可使晶體中的空穴濃度大大增加，把這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

空穴稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱為多子；自由電子稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱為少子。1-1-3漂移和擴(kuò)散（1）、在電場(chǎng)作用下，載流子將在熱騷動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，稱為漂移運(yùn)動(dòng)。 如形成回路，該運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流稱為，漂移電流。（2）、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 由濃度差引起載流子的定向運(yùn)動(dòng)。1-2PN結(jié)

PN結(jié)的制造方法是在一塊P(或N)型半導(dǎo)體中，用雜質(zhì)補(bǔ)償方法將其中的一半摻入五價(jià)(或三價(jià))雜質(zhì)轉(zhuǎn)換成N(或P)型，另一半仍為P(或N)型，這種制造方法能夠保持半導(dǎo)體內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。

1-2-1動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)邊界濃度差，產(chǎn)生多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)兩邊的多子邊擴(kuò)散邊復(fù)合，空間電荷區(qū)出現(xiàn)，產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)。電場(chǎng)使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，抑制了多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散減弱，少子漂移增強(qiáng)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡1-2-2PN結(jié)的伏安特性

（1）外加正向電壓

在PN結(jié)的P區(qū)接直流電源V正極，N區(qū)接V負(fù)極，為加正向電壓(又稱為正向偏置，簡(jiǎn)稱為正偏)。內(nèi)電場(chǎng)E減弱，阻擋層寬度減小，利于多子擴(kuò)散，正向電流I隨外加電壓的增加急速上升，PN結(jié)呈現(xiàn)為一個(gè)很小的電阻。

（2）外加反向電壓

在PN結(jié)的P區(qū)接直流電源V負(fù)極，N區(qū)接V正極，為加反向電壓(又稱為反向偏置，簡(jiǎn)稱為反偏)，

PN結(jié)反偏時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)E增強(qiáng)，阻擋層寬度增大，只利于少子漂移。由于少子為本征激發(fā)產(chǎn)生，幾乎與外加電壓V無關(guān)，在一定溫度下其數(shù)量是一定的，反向電流不隨外加電壓V變化，稱為反向飽和電流，用IS表示。在外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)呈現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻。（3）伏安特性

PN結(jié)的理想伏安特性方程為

式中：q=1.61019庫(kù)侖，為電子的電荷量；k=1.381023焦?fàn)?K，為玻爾茲曼常數(shù)；T~為絕對(duì)溫度；VT=kT/q為熱電壓，在室溫(T300K或27℃)附近

VT0.026V=26mV

1-2-3PN結(jié)的擊穿特性 雪崩