02第1章 常用半导体器件--pn结及二极管

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1、模拟电子技术基础北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院主讲：赵建辉第一章常用半导体器件(1)7/2/20211.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3双极性晶体管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管1.6集成电路中的元件第1章常用半导体器件本节课内容7/2/20211.1半导体基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结重点：PN结原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子及其运动2.PN结的形成3.PN结单向导电性重点难点7/2/2021导体自然界中容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、铝等金属（p=）。绝缘体有的物质几乎不导电，称

2、为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。导体、半导体与绝缘体本质:决定于原子结构(最外层电子分布)一、半导体7/2/2021半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：热敏/光敏特性。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。如制作CCD/CMOS光电耦合器件等（优点）,受温度变化影响大(缺点)。掺杂特性。往纯净的半导体中掺入某些杂质，使它的导电能力明显改变。如制作二极管、三极管器件(优点)，但是温度敏感（缺点）。半导体特性可控性。外电

3、压控制（单向导电、放大）。7/2/20211.1.1本征半导体二、本征半导体的原子结构GeSiSi纯净的具有晶体结构的半导体为本征半导体。纯度：99.9999999%（简称9个9）。常用材料是硅和锗。Ge最外层电子分布最外层电子（价电子）都是四个（共价键）。7/2/2021纯净半导体通过一定工艺过程，可制成单晶体(本征半导体)。每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子,结构稳定。本征半导体晶体结构正方体晶格点阵本征半导体平面结构示意图7/2/2021三、本征半导体的两种载流子自由电子空穴束缚电子本征激发：在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能

4、量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，带负电，同时共价键上留下一个空位，称为空穴，带正电。本征激发（自由电子/孔穴）？问题：整个半导体电性（空穴—自由电子成对出现或者消失）视频7/2/2021本征半导体的导电机理两种载流子：自由电子和空穴均参与移动（导电）。电子移动形成电子电流。空穴移动形成空穴电流。移动方向相反，电流方向相同。本征半导体电流为二者之和。本征半导体的导电能力很弱（原因：本征激发少）。+4+4+4+4两种载流子导电机理视频7/2/2021典型值：T=0K，浓度0，相当于绝缘体。T=300K（室温）,硅：1010量级（硅原子：1022量级）一定温度下，

5、本征激发与复合动态平衡，载流子浓度一定。且电子与空穴的浓度相等：本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。四、本征半导体中载流子浓度载流子的浓度与环境密切相关。温度大浓度大本征半导体的导电能力越强。优点：（热敏/光敏器件）缺点：（温度稳定性差原因，电子线路环境温度问题）7/2/2021扩散（掺杂）杂质半导体导电性能显著变化。原因：掺杂引起半导体某种载流子浓度大大增加，与掺杂浓度相关。P型半导体（空穴半导体）：空穴浓度大大增加。N型半导体（电子半导体）：自由电子浓度大大增加。1.1.2杂质半导体根据掺杂物质不同分为2种：7/2/2021一、N型半导体在纯净半

6、导体晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体中的某些半导体原子被杂质原子取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，常温下很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子（施主原子）。+4+4+5+4磷原子(施主原子)自由电子自由电子为多子（同杂质浓度），空穴为少子N型半导体中的多数载流子（少子）是什么？7/2/2021P型半导体在纯净半导体晶体中掺入少量的3价元素硼，晶体中的某些半导体原子被杂质原子取代，硼原子的最外层有3个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位

7、（电中性），这个空位很容易吸附电子形成新的空穴，这样硼原子就成了不能移动带负电的离子（受主原子）。空穴为多子（同杂质浓度），自由电子为少子P型半导体中的多数载流子（多子）是什么？+4+4+3+4空穴（多子）硼原子（受主原子）7/2/2021杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质半导体中，多子和少子的移动都能形成电流。多子：掺杂形成，浓度与杂质浓度相等。起主导电作用。少子：本征激发形成，浓度底，温度敏感，影响器件性能。7/2/2021掺入杂质对本征半导体的导电性

8、有很大的影响（相对本征激