模电课件第三章(bobo).ppt
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1、3.1 半导体的基本知识,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,3.2 PN结的形成及特性,3 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体,3.1.4 杂质半导体,3.1.1 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。,自然界中很容易导电的物体称为导体,金属一般都是导体。 有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡胶、陶瓷、塑料。 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Ge 、硅Si 、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物
2、等。,现代电子学中,用得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。,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.2 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,正离子,形成相对稳定的结构,1、本征半导体:纯净的,结构完整的半导体晶体,3.1.3 本征半导体,2、 本征半导体的特点:,在T = 0 K(绝对零度)和无外界激发时,没有自由运动的带电粒子载流子;此时每一原子的外围电子都被共价键所束缚,对半导体内的传导电流没有贡献。,3.1.3 本征半导体,3.1.3 本征半导体,T ,受热激发,少数价电子会挣脱共价键,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴本征激发。
3、,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,在其它力的作用下,空穴吸引邻近的电子来填补,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。,3.1.3 本征半导体,结论:空穴和电子移动的方向相反,3、本征半导体中的两种载流子:,自由电子,带正电,所带电量与电 子相等;,b. 可以“移动”(虚拟);,c. 本征半导体中,自由电子和空穴同时成对出现,称为电子空穴对。所以两者浓度相等。,3.1.3 本征半导体,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,空穴 ( 价电子挣脱束缚后留下的空位),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
4、数有关,载流子浓度越高,电导率越高。 半导体与导体的区别在于:半导体中有空穴,自由电子和空 穴都能移动。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 半导体材料一定,载流子浓度随温度按指数规律增大,因 此半导体的导电能力随温度增加而增加。,总结:,3.1.4 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。,1. 电子型(N型)半导体,本征掺杂:本征半导体 得到大量电子不产生空穴,五价磷,3.1.4 杂
5、质半导体, 特点,自由电子为多数载流子(多子) 空穴为少数载流子 (少子) (主要由本征激发产生) ;,b. 磷原子被称为施主杂质,本身因失去电子而成为正离子。,本征激发形成少量的 电子空穴对;,3.1.4 杂质半导体,2.空穴型(P型)半导体,3.1.4 杂质半导体, 特点,空穴为多数载流子(多子) 自由电子为少数载流子(少子)(主要由本征激发产生);,b. 硼原子被称为受主杂质 ,本身因获得电子而成为负离子;,本征激发形成少量的电子空穴对。,3.1.4 杂质半导体,3.1.4 杂质半导体,3. 杂质对半导体导电性的影响,在P型半导体中,受主原子(3价)浓度NA,n表示少电子的浓度(本征激发
6、),p表示总空穴的浓度,其关系为: NA+n=p 在N型半导体中,施主原子浓度ND, n表示自由电子的浓度,p表示少子空穴的浓度,其关系为: n=p+ND,总 结,1、P型半导体中空穴是多子,其中大部分是掺杂提供的空穴,本征半导体中受热激发产生的空穴只占少数。P型半导体中电子是少子,少子的迁移也能形成电流,由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。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。 2、N型半导体中电子是多子,空穴是少子。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、在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法。,3
7、.1.4 杂质半导体,3.2 PN结的形成及特性,3.2.2 PN结的形成,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动: 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。(其中空穴移动方向与电场相同,电子则相反),扩散运动: 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。(如果没有其他作用,扩散运动将一直持续至载流子浓度趋于均匀,扩散电流为零),3.2.2 PN结的形成,在一块本征半导体两侧通过参杂不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,当扩散和漂移达到动态平衡,即形成平衡
8、PN结。,(PN结,耗尽区,势垒区),(促进扩散运动),(促进漂移运动),1、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。 2、P中的电子和N中的空穴(都是少子)数量有限,因此由它们形成的电流很小。,请注意,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结导通,(1) PN结加正向电压时,外加的正向电压,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏。,总结: 1、低电阻 2、大的正向扩散电流,3.2.3 P
9、N结的单向导电性,(2) PN结加反向电压时,PN结截止,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。,外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏。,高电阻 很小的反向漂移电流,关键:耗尽层的存在,其宽度随外加的电压而变化。,总 结,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结加正向电压时,呈
10、现低电阻,具有较大的正向扩散电流; PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,图3.2.4 硅二极管PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下(T=300K),3.2.3 PN结的单向导电性,k为玻耳兹曼常数,q 为电子电荷量,T 为热力学温度。,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.50.8V左右, 锗二极管的死区电压Vth=0.20.3 V左右。,当0VVth时,正向电流为零,Vth称死区电压或开启电压。,正向区分为两段:,当V Vth时,开始出现正向电流
11、,并按指数规律增长。,反向区也分两个区域:,当VBRV0时,反向电流很小,且基本不随反向电压的变化而变化,此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时,反向电流急剧增加,VBR称为反向击穿电压 。,(2) 反向特性,3.2.4 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然快速增加,此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,雪崩击穿 (一般二极管),齐纳击穿 (稳压二极管),电击穿可逆,雪崩击穿: 反向电压增大-电荷区电场增大-漂移少子能量增大 -能碰撞晶体原子产生碰撞电离- 获得新的电子空穴对-倍增效应-雪崩击穿。 齐纳击穿: 反向电压增大-电荷区电场增大-电场
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