第 1 章晶体二极管

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1、第一章晶体二极管教学重点：PN结与晶体二极管电路的分析方法教学难点：PN结的形成过程教学时数：10学时教学内容：半导体物理基础知识，PN结，晶体二极管电路的分析方法，晶体二极管的应用教学方式：课堂讲授教学要求：（1）掌握PN节的基本特性。（2）熟悉晶体二极管的数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合。（3）熟悉晶体二极管电路的三种分析方法:图解法、简化分析法、小信号分析法，能熟练利用简化分析法分析各种功能电路。主要教学内容与课时分配主要教学内容时间分配1.0　概　述1.1　半导体物理基础知识1.2　

2、PN结1.3　晶体二极管电路分析方法1.4　晶体二极管的应用0.5课时1.5课时2课时4课时2课时概述晶体二极管结构及电路符号：正极P负极N晶体二极管的主要特性：单方向导电特性即:PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。主要用途：用于整流、开关、检波电路中。1.1　半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。一．半导体材料的基本性质在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体.ρ<10-4Ω·cm绝缘体.Ρ>1010Ω

3、·cm14半导体10-4Ω·cm<ρ<1010Ω·cm说明：1常用的半导体材料是硅（Si）和锗(Ge)。二．半导体的独特性质（1）掺杂性：ρ受‘掺杂’影响大（2）热敏性：ρ随温度上升而下降（3）光敏性：ρ随光照的增强而下降用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性。例如，纯净的半导体硅，当温度从30℃升高到40℃时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30℃升高到100℃时，电阻

4、率的增加还不到1倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为2.14×105Ω·cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999％，但它的电阻率却下降到0.2Ω·cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见，当半导体受热或掺入杂质后，导电性能会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种热敏元件和光敏元件，利用掺杂特性制成的PN结是各种半导体器件的主要组成部分。1.1.1　本征半导体导电性有差异的根本原因是物质内部原子结构，考察不含杂质，结构完整的半导体（本征半导体）材料的原子结构。一．本征半

5、导体的晶体结构常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构如图1-1（a）和（b）所示。由图可见，硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子，同属于四价元素。由于内层电图1-1硅和锗的原子结构模型(a)硅；(b)锗；(c)原子简化模型子受原子核的束缚力很大，很难脱离原子核，为简化起见，将内层电子和原子核看成一个整体，称为惯性核，它的净电量是四个正电子电量。最外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。硅或锗原子的简化模型如图1-1（c）所示。14硅或锗相邻两个原子

6、的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引，而且受相邻原子核的吸引，从而将两个原子牢固地束缚在一起，这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构，如图1-2所示。图1-2硅和锗晶体共价键结构示意图图二.本征半导体中的两种载流子（1）本征激发在绝对零度（T=-273℃或T=0K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。但受热后，本

7、征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子可以导电。说明：1在产生自由电子同时，在该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴，空穴运动方向与价电子填补方向相反，空穴—带正电，自由电子—带负电2电子与空穴的产生是成对的，称之为电子-空穴对。3.由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象称为本征激发。（2）热平衡载流子的浓度在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程，当温度一定时，两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。半导体

8、中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。处于热平衡状态下的本征半导体，其载流子的浓度是一定的，并且自由电子的浓度和空穴的浓度相等。根据半导体物理中的有关理论，可以证明1-1式中，浓度单位为cm-3，K是常量（硅为3.88×1016cm-3K-3/2，锗为1.76×141016cm-