半导体二极管1

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1、第2章半导体二极管10/8/2021本章基本要求了解半导体的基本知识熟悉二极管(PN结)的结构、工作原理、主要参数掌握二极管的特点、伏安特性、应用电路及其分析方法。10/8/20212.1半导体基础与PN结2.1.1半导体及其特性一般金属电阻率为10-9～10-6Ω·cm，绝缘体的电阻率为1010～1020Ω·cm，半导体的电阻率为10-3～109Ω·cm。由于半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体。半导体具有以下特性：（1）热敏特性（2）光敏特性（3）杂敏特性10/8/20212.1.2本征半导体具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶

2、体通常具有规则的几何形状，在空间中按点阵（晶格）排列。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。10/8/2021共价键结构在硅或锗的本征半导体中，由于原子排列的整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-2所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。价电子共价键空穴自由电子10/8/2021热激发、载流子在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易获得能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，这种现象称为热激发，如图2-3所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，显然具有空穴的原子带正电。本征半导体产生热激发时，电子和空穴成对出

3、现。自由电子在电场作用下运动时，也会填补空穴，这种现象成为复合。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，故在一定温度下，载流子的热激发和复合达到动态平衡，载流子的数目维持在一定的数目。新空穴复合10/8/20212.1.3N型半导体和P型半导体为了提高其导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其他元素（称为掺杂），形成杂质半导体。若掺入微量的5价元素（如磷、砷、锑等），可大大提高自由电子浓度，这种杂质半导体称为N型半导体；若掺入微量的3价元素（如硼），则可增加空穴数目，这种杂质半导体称为P型半导体。磷原子未形成共价键的

4、电子10/8/20212．P型半导体如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。如图2-6所示。由于硼原子核外有3个价电子，故只能和相邻的硅或锗的形成3个共价键，而第4个共价键中由于缺少一个电子形成空。P型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴半导体，硼原子也称为受主杂质。硼原子未形成共价键的空穴10/8/20212.1.4PN结及其单向导电性2.1.4.1PN结的形成利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗）上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，这

5、样在两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。10/8/2021PN结外加电压时1．PN结外加正向电压如图2-9所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的负极。空间电荷区变窄，削弱了内电场，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流，其方向是由P区流向N区，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN结的正向导通。正向电流包括两部分：空穴电流和自由电子电流。虽然两种不同极性的电荷运动方向相反，但所形成的电流方向是一致的。10/8/20212．PN结外加反向电压PN结外加反向电压，即P区接电源的负极、N区接电源的正极，如图2-10所示。外电场

6、使得P区的空穴和N区的自由电子从空间电荷区边缘移开，使空间电荷区变宽，内电场增强，不利于多数载流子的扩散，而有利于少数载流子的漂移形成反向电流，其方向是由N区流向P区。由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，此时PN反向截止，呈现高阻状态。10/8/20212.2半导体二极管2.2.1二极管的结构、类型及符号将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-11a所示，二极管的外形如图2-11b所示。10/8/2021二极管的结构示意图点接触型面接触型平面

7、型10/8/20212.2.2.1二极管的伏安特性二极管的伏安特性就是二极管流过的电流i和两端电压u之间的关系。1．正向特性当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，此时硅二极管的正向导通压降在0.6~0.8V，典型值取0.7V；锗二极管的正向导通压降在0.1~0.3V，典型值取0.2V。（2－1）10/8/20212．反向特性二极管的反向特性对应图2-13曲线的（2）段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。在二极管两端加反向电压时，其外加电场和内电场的方向一致，当反向电压小于反向击穿电压时，由图中

8、可以看出，反向电流基本恒定，而且电流几乎为零，这是由少数载流子漂移运动所形成的反向饱和电流。硅