半导体二极管及其基本电路1

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1、3.1半导体基本知识3.2PN结的形成及特性3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3半导体二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识一、半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。元素半导体：硅（Si）和锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）等。半导体的导电能力介于导体、绝缘体之间，其导电性能还有其独特的特点。常用的半导体材料有：导体（低价元素）——半导体——绝缘体（高价元素）金、银、铜、铁等——硅、锗、镓等——橡胶、惰性气体等典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们

2、都是4价元素。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子Si锗原子Ge+4二、半导体共价键结构（硅）(a)硅晶体的空间排列价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图2-1图2-1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4(b)共价键结构平面示意图1.本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体（化学成分纯净）。三、本征半导体、空穴及其导电作用制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到

3、99.9999999%，常称为“九个9”。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。本征半导体的共价键结构束缚电子当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。空穴是半导体区别于导体的一个重要特点。自由电子空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。2.电子空穴对可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生

4、的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：电子空穴对+4+4+4+4+4+4+4+4+4E3.空穴的移动图2-3空穴在晶格中的移动小结：晶体中存在着两种导电的离子（电子、空穴）自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。动画演示由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后而留下的空穴4.导电机理自由电子带负电

5、荷电子流＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。在外加电场的作用下，电子和空穴会产生定向移动，形成电流而导电。(1)P型半导体(2)N型半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。四、杂质半导体1.P型半导体

6、在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体硅原子空穴硼原子－－－－－－－－－－－－电子空穴对空穴受主离子P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。N型半导体2.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素（如磷）,可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个

7、半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚很容易形成自由电子。++++++++++++磷原子硅原子施主离子自由电子电子空穴对多余电子在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。3.2PN结的形成及特性N型半导体P型半导体++++++++++++－－－－－－－－－－－－杂质半导体的示意图多子—电子少子—空穴多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关，与掺杂无关多子浓度——与

8、温度无关，与掺杂有关1.PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成如下物理过程:两侧载流子存在浓度差杂质离子不移动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场促进少子漂移运动阻止多子扩散运动扩散和漂移达到动态平衡形成PN结多子扩散运动:空穴：PN；电子