浙江大学城市学院模拟电子技术基础课件.ppt

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1、2半导体二极管及其基本电路学习目标1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；4、正确理解半导体二极管的主要参数；5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。2半导体二极管及其基本电路2.1半导体基础知识2.2PN结的形成和特性2.3半导体二极管的结构及指标参数2.4二极管电路的分析方法与应用2.5特殊二极管2.1.1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。典型的半导体有硅（Si）

2、和锗（Ge）以及砷化镓（GaAs）等，还有掺杂或制成其他化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。半导体有以下特点：半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。2.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体。载流子——可以自由移动的带电粒子。电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。本征激发：

3、当T=0K和无外界激发时，半导体中没有载流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用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，这个空位称为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发动画1-1空穴2.1.3杂质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。N型半导体—

4、—掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。2.1.3杂质半导体N型半导体（施主杂质）多数载流子——自由电子少数载流子——空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4多余电子，成为自由电子+5自由电子+5在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)2.1.3杂质半导体P型半导体（受主杂质）多数载流子——空穴少数载流子——自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴2.1.4两种导电机理—扩散和漂移空穴和自由电子在硅晶体中的移动有两种过程——扩散和漂移，相应地可形成两种电

5、流——扩散电流和漂移电流。一、扩散扩散是与不规则的热运动联系在一起的，在一块处于热平衡状态的半导体中，均匀分布的自由电子和空穴不会因随机运动而造成电荷的定向流动。但是，如果由于某种原因（例如不均匀光照）使硅片一个部分中的自由电子浓度高于其它的部分，那么电子将会从高浓度区域向低浓度区域扩散。这一扩散过程引起电荷的定向流动，相应产生的电流称为扩散电流（DiffusionCurrent）。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移例如图2-1-6(a)所示的硅棒，其中图1-1-6(b)所示为空穴沿x轴方向的浓度分布。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移这样一个浓度分布将导致沿x轴方向的空穴扩

6、散电流，由于在任何一点的电流值与浓度曲线的斜率（或称为浓度梯度）成比例关系，则：Jp＝-qDpJp为扩散电流密度（即沿x轴方向每单位面积中的电流），单位为；q为电子的电荷量＝1.6×10-19C;Dp为比例常数,称为空穴扩散系数。由于斜率是负的，则在x方向将得到一个正电流。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移类似地，在由电子浓度梯度（斜率）产生电子扩散的情况下，同样可以得到电子的扩散电流密度。Jn＝qDn这里Dn为电子的扩散系数。对于在硅材料中扩散的空穴和电子，常温下扩散系数的典型值分别为：2.1.4两种导电机理—扩散和漂移二、漂移：在外加电场作用下，载流子将在热骚动状态下产生

7、定向的运动，其中自由电子产生逆电场方向的运动，空穴产生顺电场方向的运动。载流子的这种定向运动称为漂移运动。由它产生的电流称为漂移电流。而且两种载流子所产生的漂移电流均是顺电场方向的。2.1.4两种导电机理—扩散和漂移设Jp-drift和Jn-drift分别为空穴和自由电子的漂移电流密度（即通过单位截面积的电流），则它们可分别表示为总的漂移电流密度为：式中，p和n分别为空穴和自由电子的浓度，q为电子电荷量=1.6×10-19C（库仑）,E为外加电场强度，单位为V/cm。µP和µN分别为空穴和电子的迁移率。