PN结及二极管

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1、第二讲半导体器件概述（书第3、4、5章）2.1PN2.1PN结及二极管（书第3章）2.2半导体三极管（书4.1节）2.3半导体场效应管（书5.1、5.3节）2012-3-1112.1PN结及二极管（书第3章）2.1.1半导体及PN结2.1.2二极管的基本特性2.1.3二极管的主要参数及电路模型2.1.4特殊二极管根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109Ω⋅cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。特点:导电能力可控(受控于光、热、杂质等)2012-3-1122.1.1半导体及PN结1.本征半导体(1)本

2、征半导体的共价键结构(2)空穴的移动(3)电子空穴对本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。2012-3-113（1）本征半导体的共价键结构硅(锗)的原子结构简化模型价电子(束缚电子)共价键结构平面示意图硅晶体的空间排列2012-3-114当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子。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共价键的束缚，而参与导电，成为自由电子。这这现一现象称为象称为本征激发，也称热激发。2012-3-115（2）空穴的移

3、动（动画1-2）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，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。半导体中有两种载流子参与导电。2012-3-116（3）电子空穴对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。由于物质的运动，半导体中的电子空穴对不断产生，同时，自由电子与空穴相遇时又将重新被共价键束缚，电子和空穴就会成对消失，这是复合。本征激发和复合不断的进行，在一定温度下会达到动态平衡。载流子浓度稳定。2012-3-1172.杂质半导体(1)N型半导体(()2)P型半导体(3)杂

4、质对半导体导电性的影响在本征半导体中掺入微量的某些元素作为杂质，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。2012-3-118(1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。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。由于掺入的五价杂质原子提供了大量的自由电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2012-3-119(2)P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。P型半导体中空

5、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。2012-3-1110()(3)杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:1T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm3ii2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm33本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2012-3-11113.PN结(1)PN结的形成(2)PN(2)PN结的单向导电性(3)PN

6、(3)PN结的击穿(4)PN(4)PN结的电容效应2012-3-1112(1)PN结的形成在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差↓多子的扩散运动内建电场P区N区↓由正负离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场→↓↓内电场促使内电场阻止2012-3-11少子漂移多子扩散13最后,多子的扩散和少子的漂移相等，达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。（动画1-3）PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=势垒区＝阻挡层2012-3-1114两

7、种载流子的运动动态平衡时PN结总电流I=0空间电荷区宽度稳定两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）两种电流：扩散电流漂移电流2012-3-1115(2)PN结的单向导电性在PN结两端外加电压通常叫做偏置。如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。2012-3-1116①PN结偏结正偏时——导通IFP区N区内电场IF=I多子−I少子≈I多子外电场限流电阻外加的正向电压有一部分降落在PN结区，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