1-1_PN结及二极管

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1、第第章一章半导体器件概述1.1PN1.1PN结及二极管1.2半导体体管三极管1.3半导体场效应管1.4集成运算放大器2012-2-2611.1PN结及二极管1.1.1半导体及PN结1.1.2二极管的基本特性1.1.3二极管的主要参数及电路模型1.1.4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。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)2012-2-2621.1.1半导体及PN结1.本征半导体(1)本征半导体的共价键结构(2)电子空穴对(

2、3)空穴的移动本征半导体——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。2012-2-263(1）本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图01.01。(c)()(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图2012-2-264图01.01硅原子空间排列及共价键结构平面示意图（2

3、）电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，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原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。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。2012-2-265图01.02本征激发和复合的过程（动画1-1）可见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。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。20

4、12-2-26本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。6(3)空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现图01.03空穴在晶格中的移动的。见图01.03的（动画1-2）动画演示。2012-2-2672.杂质半导体(1)N型半导体(()2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响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。2012-2-268(1）N

5、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。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子图01.04N型半导体结构示意图。在N型半导体中自由电子浓度大于空穴浓度，称为多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴称为少数载流子,由热激发形成。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。2012-2-269(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

6、。因原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。图01.05P型半导体的结构示意图P型半导体中空穴是多数载流子，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。2012-2-2610()(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/cm32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

7、以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2012-2-26113.PN结(1)PN结的形成(2)PN(2)PN结的单向导电性(3)PN(3)PN结的伏安特性(4)PN(4)PN结的电容效应2012-2-2612(1)PN结的形成内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。少子的漂移运动P型半导体内电场N型半导体－－－－－－++++++扩散和漂移－－－－－－++++++这一对相反的运动最终达到－－－－－－++++++动态平衡，空－－－－－－++++++间电荷区的厚度固定不变。浓度差多子的扩散运动形成空间电荷区空间电荷区扩散的结果使也称PN结空间

8、电荷区变宽。2012-2-2613在一块本征半导体在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。