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1、内容提要内容提要半导体材料的基本物理特性及PN结原理；半导体二极管的结构及工作特性；几种特殊二极管；二极管基本应用电路及其分析方法。第1页/共108页1.正确理解以下基本概念 半导体导电载流子；PN结及二极管的单向导电性。基本要求基本要求第2页/共108页2.熟练掌握 二极管的外特性（数学描述）（VA特性曲线及方程）；二极管的电路模型。3.熟悉 二极管的主要参 数。第3页/共108页物质的分类物质的分类导体(电阻率小于 )绝缘体(电阻率大于 )半导体（电阻率介于两者之间）典型的半导体：如硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等按照导电能力的差别，可以将物质分为：半导体的独特性质：电阻率可因某些外界因
2、素的改变而明显变化掺杂特性热敏特性光敏特性注意：决定物质导电性能的因素？第第一一节节 半半导导体体的的基基本本特特性性第4页/共108页现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。简化模型SiGe第第一一节节 半半导导体体的的基基本本特特性性本征半导体一.结构特点第5页/共108页通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅晶体的空间排列完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，每个原子附近有四个邻近原子，彼此之间由价电子联系起来，形成共价键，共用一对价电子。本征半导体一.结构特点第6页/共108页硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+
3、4+4+4+4表示除去价电子后的原子 本征半导体一.结构特点第7页/共108页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。特点：+4+4+4+4 本征半导体一.结构特点第8页/共108页在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量
4、而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。本征半导体二.导电机理第9页/共108页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子 本征半导体二.导电机理第10页/共108页+4+4+4+4空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体二.导电机理第11页/共108页本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴（价电子）移动产生的电流。本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴。导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体二.导电机理第
5、12页/共108页本征半导体中载流子的浓度：本征半导体二.导电机理第13页/共108页 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。掺入微量的+5价元素（磷P）的半导体。第第一一节节 半半导导体体的的基基本本特特性性杂质半导体一.N型半导体增加载流子的数量提高导电率注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结构。第14页/共108页施主原子N型半导体结构示意图 杂质半导体一.N型半导体不能导电第15页/共108页N 型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓
6、度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。杂质半导体一.N型半导体第16页/共108页掺入微量的+3价元素（硼B）的半导体P型半导体结构示意图受主原子 杂质半导体二.P型半导体不能导电第17页/共108页可以认为空穴带一个单位的正电荷，并且可以移动。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。杂质半导体二.P型半导体第18页/共108页小结杂质杂质原子原子多子多子N型半导体型半导体+5价价施主原子（正离子正离子）电子电子P型半导体型半导体+3价价受主原子（负离子负离子）空穴空穴 杂质半导体第19页/共108页杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关
7、系，起导电作用的主要是多子。可近似认为多子与杂质浓度相等。杂质半导体三.杂质半导体的性质在杂质半导体中：多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度少子的浓度主要取决于温度。存在着自由电子、空穴和杂质离子三种带电粒子；第20页/共108页 杂质半导体三.杂质半导体的性质+-N型半导体的简化表示法P型半导体的简化表示法第21页/共108页 掺杂半导体处于平衡状态时，其载流子浓度满足如下关系：p0平衡空穴浓度；n0平衡电子浓度;ni本征电子浓度。杂质半导体半导体杂质的补偿原理第22页/共108页1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移，如图（A）所示。（A）电场作用下的漂移运动 杂质半导体四.载流子的漂
8、移和扩散运动当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电特性。第23页/共108页2、载流子由浓度高流向浓度低的运动称为扩散，如图（B）所示。（B）扩散示意图 杂质半导体四.载流子的漂移和扩散运动第24页/共108页 在同一块本征半导体基片上，两侧分别掺入施主杂质和受主杂质制成N型半导体和P型半导体。则在两半导体的结合面上形成如下物理过程:第第二二节节 半半导导体体二二极极管管的的工工作作原原理理及及特特性性结及其单向导电性一.PN结的形成第25页/共108页一.PN结的形成 PN结及其单向导电性第26页/共108页+-阻挡层(势垒层)：阻挡多子的扩散运动，但引起少子的漂移
9、运动空间电荷区内建电场扩散+-漂移耗尽层阻挡层高阻区一.PN结的形成 PN结及其单向导电性第27页/共108页空间电荷区内建电场扩散+-漂移耗尽层阻挡层高阻区一.PN结的形成 PN结及其单向导电性多子的扩散运动形成扩散电流，并增加空间电荷区的宽度。少子的漂移运动形成漂移电流，并减小空间电荷区的宽度。当两种运动到达平衡时，空间电荷区的宽度也达到稳定。第28页/共108页空间电荷区内建电场扩散+-漂移耗尽层阻挡层高阻区一.PN结的形成 PN结及其单向导电性动态平衡时交界面两侧的空间电荷量、空间电荷区宽度、内建电场等参量均为常数，且与半导体材料、掺杂浓度、温度有关.耗尽层为高阻区，空间电荷区以外的区
10、域为低阻区.第29页/共108页 因浓度差 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 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 PN结及其单向导电性PN结形成过程的总结第30页/共108页接触电位差：阻挡多子的扩散运动，又称为“电位势垒”或“势垒”势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度低的一侧.PN结及其单向导电性接触电位差与势垒宽度空间电荷区内建电场+-第31页/共108页PN+-内电场外电场势垒区的电位差减小阻挡层内的合成电场减小空间电荷总量减小空间电荷区变窄 PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性1、PN结加正向电压(正向偏置)P
11、区加正、N区加负电压。第32页/共108页PN+-内电场外电场 PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性1、PN结加正向电压(正向偏置)正向电流If加正向电压时（导通）扩散电流加大；漂移电流基本不变；正向电流的方向为由P区至N区，且随外加正向电压增加而增加。第33页/共108页PN+-内电场外电场势垒区的电位差增加阻挡层内的合成电场增加空间电荷总量增加空间电荷区变厚 PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）P区加负、N区加正电压。第34页/共108页PN+-PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）反向电流Is加反向电压时（截
12、止）内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小.第35页/共108页 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的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流，对温度变化非常敏感。PN结及其单向导电性二.PN结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）第36页/共108页 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，且正向电流随正向电压的大小急剧改变；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且反向电流基本不随反向电压的大小变化。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。二.PN结的单向导电性 PN结及其单向
13、导电性第37页/共108页电路符号第第二二节节 半半导导体体二二极极管管的的工工作作原原理理及及特特性性二极管的结构与类型第38页/共108页(a)点接触型 二极管的结构示意图结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。一.点接触型二极管二极管的结构与类型第39页/共108页(b)面接触型 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。二.面接触型二极管二极管的结构与类型第40页/共108页(c)平面型 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。三.平面型二极管二极管的结构与类型第41页/共108页温度电压当量。当在室温条件下T=300K时，约为26mV：外接电压：
14、反向饱和电流二极管的伏安特性第第二二节节 半半导导体体二二极极管管的的工工作作原原理理及及特特性性一.二极管电流方程第42页/共108页温度电压当量。当在室温条件下T=300K时，约为26mV：外接电压：反向饱和电流若为正偏且 ，则有若为反偏且 ，则有二极管的伏安特性第第二二节节 半半导导体体二二极极管管的的工工作作原原理理及及特特性性一.二极管电流方程第43页/共108页应了解二极管理想特性与实际特性之间的区别理想特性实际特性二极管的伏安特性第第二二节节 半半导导体体二二极极管管的的工工作作原原理理及及特特性性一.二极管电流方程第44页/共108页正向工作区阈值电压 的含义反向工作区反向击穿
15、区反向击穿电压二.二极管的伏安特性二极管的伏安特性V(BR)第45页/共108页锗二极管2AP15的V-I 特性硅二极管2CP10的V-I 特性二.二极管的伏安特性二极管的伏安特性材料材料开启电压开启电压Vth导通电压导通电压V反向饱和电流反向饱和电流Is硅硅(Si)0.5v0.60.8vT，vc(0)=0第101页/共108页1、二极管与门vI1vI2D1D2vo0V0V导通导通导通导通0V（0.7)0V5V导通导通截止截止0V（0.7)5V0V截止截止导通导通0V（0.7)5V5V截止截止截止截止5VRL五.二极管开关电路二极管模拟电路第102页/共108页1、二极管与门vI1vI2D1D
16、2vo0V0V导通导通导通导通0V（0.7)0V5V导通导通截止截止0V（0.7)5V0V截止截止导通导通0V（0.7)5V5V截止截止截止截止5V五.二极管开关电路二极管模拟电路当输入电压中只要有一个为低电平，则输出为低电平；只有当所有输入电压均为高电平时，输出才为高电平。第103页/共108页2、二极管或或门vI1vI2D1D2vo0V0V截止截止截止截止0V0V5V截止截止导通导通5V（4.3)5V0V导通导通截止截止5V（4.3)5V5V导通导通导通导通5V（4.3)五.二极管开关电路二极管模拟电路第104页/共108页2、二极管或或门vI1vI2D1D2vo0V0V截止截止截止截止0V0V5V截止截止导通导通5V（4.3)5V0V导通导通截止截止5V（4.3)5V5V导通导通导通导通5V（4.3)五.二极管开关电路二极管模拟电路当输入电压中只要有一个为高电平，则输出为高电平；只有当所有输入电压均为低电平时，输出才为低电平.第105页/共108页二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo第106页/共108页作业 思考第107页/共108页感谢您的观看。第108页/共108页