ch1-基本概念-PN结-二极管.ppt
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1、(1-1),模拟电子技术,第一章 半导体器件,(1-2),一. 导体、半导体和绝缘体,导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。,绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,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(如硫化镉)、氧化物(如氧化锌)等。,1.1 半导体的基本知识,1.1.1 本征半导体,(1-3),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:,当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使 它的导电能力明显改变。,完全纯净的、
2、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,(1-4),二.本征半导体的结构特点,现代电子学中,用的最多的本征半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。,(1-5),Si的原子序数为14,有14个电子绕核旋转,外层电子离核最远,受到的束缚最弱,称为价电子。,Si原子结构简图 (Ge原子序数32),+4表示除去价电子后的原子,(1-6),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,硅和锗的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。形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。,(1-7),共价键中的两个电子被紧紧束
3、缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。,(1-8),三.本征半导体的载流子和导电机理,在绝对0度(T=0 K)和没有外界激发(如光照)时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运载电荷的粒子(即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。,在常温下,由于热激发,使极少数的价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。,1.载流子:自由电子和空穴,(1-9),自由电子,空穴,束缚电子,(1-10),2.本征半导体的导电机理,空穴吸引附近的束缚电子来填补,
4、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带正电的载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。,(1-11),本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度:温度越高则载流子浓度越高,因此本征半导体的导电能力越强。 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。,本征半导体中电流由两部分组成:自由电子移动产生的电流;空穴移动产生的电流。,四.本征半导体中载流子的浓度,本征激发 复合 动态平衡 在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。,(1-12),1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某
5、些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P (Positive,正)型半导体: 空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称空穴半导体。,N (Negative,负)型半导体: 自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称电子半导体。,(1-13),在硅或锗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,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。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。,一、N 型半导体,
6、(1-14),多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么?,1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。,(1-15),在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟),晶体中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。,这个空穴可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴
7、是多子,电子是少子。,二、P 型半导体,(1-16),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,(1-17),1.1.3 PN结二极管器件的基石,一. PN 结的形成,在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN 结。,(1-18),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。,内电场(其方向即正电荷的受力方向)会阻止扩散运动,同时内电场越强则使漂移运动越强,而漂移会使空间电荷区变薄。,(1-19),当扩散
8、和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。,(1-20),PN结的形成(动画),(1-21),PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是: P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是: P区加负、N 区加正电压。,二. PN结的单向导电性,P N结导通时的结压降0.7伏,因而会在它所在的回路中串联一个电阻,以限制回路的电流,防止P N结因正向电流过大而损坏。,(1-22),1.PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(1-23),2.PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电
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