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1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性典型的半导体材料典型的半导体材料 元素元素硅（硅（Si）、锗（锗（Ge）化合物化合物砷化镓（砷化镓（GaAs）掺杂元素掺杂元素 硼（硼（B）、磷（磷（P）3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识半半导导体体：导电能力介于导体和绝缘体之间，当受外界光和热刺激或加入微量掺杂,导电能力显著增加。(性能可控性能可控)只有硅能满足集成电路要求的高产量、低成本的物理特性。只有硅能满足集成电路要求的高产量、低成
2、本的物理特性。半导体的共价键结构半导体的共价键结构晶体结构，邻近原子之间由共价键联结。本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净（化学成分纯净（99.9999999.99999）的半）的半导体单晶体。须在单晶炉中提炼得到。导体单晶体。须在单晶炉中提炼得到。它在物理结它在物理结它在物理结它在物理结构上呈单晶体形态构上呈单晶体形态构上呈单晶体形态构上呈单晶体形态,绝对零度时，价电子无法挣脱绝对零度时，价电子无法挣脱本身原子核束缚，此时本征半导体呈现绝缘体特性本身原子核束缚，此时本征半导体呈现绝缘体特性。本征半导体的导电机制：本征半导体的导电机制：本征激发外电场使自由电子导电本征激发外电场
3、使自由电子导电本征激发本征激发在室温下，在室温下，热激发或光热激发或光照使价电子获得挣脱共照使价电子获得挣脱共价键束缚的能量，成为价键束缚的能量，成为自由电子自由电子，同时共价，同时共价键中留下一个键中留下一个空穴空穴。空穴的出现是半导空穴的出现是半导空穴的出现是半导空穴的出现是半导体区别于导体的一体区别于导体的一体区别于导体的一体区别于导体的一个重要特点。个重要特点。个重要特点。个重要特点。自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对电子空穴对。自由电子和空穴统自由电子和空穴统称为称为载流子。载流子。外电场使自由电子导电外电场使自由电子导电 出现空穴后，在外加电场作用下，共价键中的价电子价电子
4、就较易填补到这个空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移动（电荷迁移）（电荷迁移）。空穴的移动方向和电子移动方向是相反的,因而可用空穴移动产生的电流来代表束缚电子移动产生的电流。自由电子受原子核的吸引还可能重新回到共价键中，称为复合。在一定温度下，电子空穴对的热激发与复合达到动态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。杂质半导体杂质半导体杂质半导体：杂质半导体：为了提高半导体的导电能力，人为掺入某些微量的有用元素作为杂质，称为杂质半导体。在提炼单晶的
5、过程中一起完成。掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。三价元素掺杂三价元素掺杂P 型半导体型半导体五价元素掺杂五价元素掺杂N 型半导体型半导体控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。P 型半导体型半导体在产生空穴的同时并不产生自由电子空空穴穴多多P 型半导体型半导体在本征半导体中掺入微量硼、铟等三价元素。由于掺入量极微，所以硅的原子结构基本不变，只是某些硅原子被杂质替代了。该原子除外层的三个电子与相邻四个硅原子组成共价键结构外，还缺一个电子，留下一个空穴。所以，掺杂后的空穴数已远远地超过由热激发而产生的空穴数。因此，掺入三价元素后半导体中
6、的空穴为多多子子，它它主主要要由由掺掺杂杂形形成成；电子为少少子子，它它仍仍由由热热激激发发形形成成。称空穴型半导体或P型半导体。当相邻共价键上的电子受热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，因为硼原子在硅晶体中能接受电子，故硼为受主杂质或P型杂质。N 型半导体型半导体在产生自由电子的同时并不产生空穴电电子子多多N 型半导体型半导体在本征半导体中掺入磷、砷等五价元素。由于掺入量极微，所以硅的原子结构基本不变，只是某些硅原子被杂质替代了。该原子除外层的四个电子与相邻四个硅原子组成稳定的共价键结构外，仍多出一个电子，所以，掺杂后的电子数已远远地超过由
7、热激发而产生的电子数。因此，掺杂后半导体中电子为多多子子，主主要要由由掺掺杂杂形形成成，空穴为少少子子，仍仍由由热热激激发发形形成成。称电子型半导体或N型半导体。多余的价电子易受热激发而挣脱共价键的束缚成为自由电子，磷原子成为正离子，磷、砷等称为施主杂质或N型杂质。结论结论 由于掺入杂质使多子的数目大大增加，从而使多子与少子复合的机会大大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的浓度就愈低。可以认为，多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，因而它受温度的影响很小；而少子是本征激发形成的，所以尽管其浓度很低，却对温度非常敏感，这将影响半导体器件的性能。半导体材料本征半导体半导体掺杂半导体材料
8、本征半导体半导体掺杂 半导体的导电机制自由电子、空穴半导体的导电机制自由电子、空穴 多数载流子（多子）、少数载流子（少子）多数载流子（多子）、少数载流子（少子）本节中的有关概念本节中的有关概念 掺杂半导体掺杂半导体N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体小结小结P型半导体中含有受主杂质，在室温下，受主型半导体中含有受主杂质，在室温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。N型半导体中含有施主杂质，在室温下，施主型半导体中含有施主杂质，在室温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。半导体的正负电
9、荷数是相等的半导体的正负电荷数是相等的,他们的作用互他们的作用互相抵消相抵消,因此保持电中性。因此保持电中性。掺杂产生的是多子，本征激发产生的是少子。掺杂产生的是多子，本征激发产生的是少子。3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的电容效应结的电容效应 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子
10、浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。单向运动单向运动随机运动随机运动（1 1）两边的浓度差引起载流子的）两边的浓度差引起载流子的扩散扩散运动运动（2 2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移漂移（3 3）扩散和漂移动态平衡：）扩散和漂移动态平衡：PNPN结结（空间电荷区、耗尽层、势垒区空间电荷区、耗尽层、势垒区）3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.2 PN结的形成结的形成因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 多子的多子的
11、扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。平。平衡衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，所以外观相反，所以外观 PN 结中没有电流。结中没有电流。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 小小 结结 3.2.2 PN结的形成结的形成外加电压才显示出来外加电压才显示出来外加正向电压：P 区接电源正极，区接电源正极，或使或使 P 区的区的电位高于电位高于N 区。区。P()N()外加反向电压：N 区接电源正极，区接电源正极，或使得或使得 N 区区的电位高于的电位高于 P 区。区。P()N()3.2
12、.3 PN结的单向导电性结的单向导电性PN结加正向偏置电压（结加正向偏置电压（正偏）正偏）外加电压使内电场减小以致外加电压使内电场减小以致 空间电荷区变窄空间电荷区变窄 多子形成的扩散电流增加多子形成的扩散电流增加 漂移电流减小漂移电流减小从电源正极有流入从电源正极有流入P P 区区的正向电流。的正向电流。当外加电压升高，PN结电场便进一步减弱，扩散电流随之增加，在正常范围内，PN结上外加电压只要稍有变化(如0.1V),便能引起电流的显著变化,急速上升。正向的PN结表现为一个阻值很小的电阻。（导通导通）限流电阻PN结加反向偏置电压（结加反向偏置电压（反偏）反偏）外加电压使内电场增加以致外加电压
13、使内电场增加以致 空间电荷区加宽空间电荷区加宽 扩散电流进一步减小趋于零扩散电流进一步减小趋于零 少子形成的漂移电流居支配地位少子形成的漂移电流居支配地位从电源正极有流入从电源正极有流入N N 区的很区的很小的反向电流小的反向电流 由于由于在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一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，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压定的，故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，的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。反向的PN结表现为一个高阻值电阻。（截止截止）PN结的单向导电性结的单向导
14、电性PN结正偏时，具有较大的正向扩散电流，结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻；呈现低电阻；PN结导通结导通PN结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。呈现高电阻。PN结截止结截止 PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。PN结的伏安特性结的伏安特性-以硅二极管的以硅二极管的PN结为例结为例 其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量常温下常温下（T=300K）vDPN结外加电压结外加电压 在正向特性的起始部分在正向特性的起始部分,存在死存在死区区,开启电压开启电压(门坎电压门坎电压)V Vth th温度每升高温度每
15、升高1 1，结两端的电压，结两端的电压大约下降大约下降2 2。（。（电子温度计电子温度计）反向电流极小反向电流极小(nAnA)，但实际远大，但实际远大于于IS，随温度升高而增加。，随温度升高而增加。3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压增加到一定结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。（1）雪崩击穿：）雪崩击穿：碰撞电离碰撞电离（2）齐纳击穿：）齐纳击穿：场致激发（杂质浓度特别高）场致激发（杂质浓度特别高）（3）热击穿：）热击穿：PN结过热结过热强电场将耗尽层内中性原子
16、的价电子直接变为自由电子强电场将耗尽层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗功率损耗 PN结温升高结温升高本征激发加剧本征激发加剧反向电流反向电流更大更大连锁反应连锁反应反向电压增加反向电压增加 少子漂移加快少子漂移加快 动能增加动能增加 碰撞电离碰撞电离连锁反应连锁反应PN结的反向击穿的物理本质结的反向击穿的物理本质热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆应用：电压稳压器应用：电压稳压器如果如果PN结击穿电压小于结击穿电压小于5，那么击穿机理通常是齐纳效应。，那么击穿机理通常是齐纳效应。如果如果PN结击穿电压大于结击穿电压大于7，那么击穿机理通常
17、是雪崩击穿。，那么击穿机理通常是雪崩击穿。需要避免需要避免 PN结：结：空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性伏安特性及其表达式结的单向导电性伏安特性及其表达式 PN结的其它性质反向击穿结的其它性质反向击穿本节中的有关概念本节中的有关概念 3.2.5 PN结的电容效应（结的电容效应（高频和开关性能高频和开关性能）(1)(1)扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图正向偏置正向偏置正向偏置时，积累在正向偏置时，积累在P P区的电子区的电子和和N N区的空穴随正向电压的增加区的空穴随正向电压的增加而很快增加，扩
18、散电容较大而很快增加，扩散电容较大反向偏置时，载流子数目很少，反向偏置时，载流子数目很少，因此反向偏置时扩散电容数值因此反向偏置时扩散电容数值很小，一般可忽略。很小，一般可忽略。3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (2)(2)势垒电容势垒电容C CB B正向偏置时，主要取决于扩散电容。正向偏置时，主要取决于扩散电容。反向偏置时，主要取决于势垒电容。反向偏置时，主要取决于势垒电容。对低频信号呈现较大的容抗，其作用对低频信号呈现较大的容抗，其作用一般可忽略。一般可忽略。反向偏置反向偏置势垒电位随外加方向电压的变化势垒电位随外加方向电压的变化而变化，势垒区的变化，意味着而变化，势垒区的变化，意味着区内存储正负离子电荷数的增减，区内存储正负离子电荷数的增减，类似于平行板电容器两极板上电类似于平行板电容器两极板上电荷的变化。荷的变化。