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时间:2018-11-15
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1、电子技术基础(模拟部分)中原工学院信息商务学院第3章半导体二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性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3.1半导体的基本知识3.1.1半导体的基本知识根据物体导电能力(电阻率)的不同,划分导体、绝缘体和半导体。导体:容易导电的物体。如:铁、铜、铝等绝缘体:几乎不导电的物体。如:橡胶等半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体除了在导电能力方面
2、与导体和绝缘体不同外,它还具有不同于其他物质的特点。掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强(可做成温度敏感元件,如热敏电阻)。半导体的特性:3.1.2本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge。硅和锗都是四价元素,在原子最外层轨道上有四个价
3、电子。本征晶体中各原子之间靠得很近,使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引,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。半导体处于热力学温度0K时,半导体中没有自由电子。当获得一定能量(光、热)后,少量价电子即可挣脱原子核的束缚,成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个空位,称为空穴(带正电)。这一现象称为本征激发(或热激发)。本征半导体的导电机理温度愈高,晶体中产生的自由电子便愈多。当半导体两端加上外电压时,在半导
4、体中将出现两部分电流:(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意:(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;(2)温度愈高,载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载流子便维持一定的数目。自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动形成了空穴电流,它们的方向相反。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的,因此,空
5、穴的导电能力不如自由电子。自由电子和空穴都称为载流子。3.1.3杂质半导体本征半导体的导电能力很差,如果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。1.掺入五价元素掺杂后自由电子数目大量增加,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式,称为电子半导体或N型半导体,因此五价杂质原子也称为施主杂质。多余价电子在常温下即可变为自由电子磷原子,失去一个电子变为正离子在N型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。掺杂后空穴数目大量增加,空穴导电成为这种半导体的主要导电方式,称为空
6、穴半导体或P型半导体,三价杂质因而也称为受主杂质。在P型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。2.掺入三价元素B空穴硼原子,接受一个电子变为负离子N型半导体中的导电粒子有两种:自由电子—多数载流子空穴——少数载流子P型半导体中的导电粒子有两种:自由电子—少数载流子,由热激发形成空穴——多数载流子,主要由掺杂形成无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。3.2PN结的形成及特性3.2.1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强,漂移运动越强,而漂移使
7、空间电荷区变薄扩散的结果使空间电荷区变宽。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型半导体的结合面形成一个特殊的薄层,称为PN结。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。----------------++++++++++++++++++++++++--------形成空间电荷区(势垒区)此区缺少多子,也称耗尽层3.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压(正向偏置)PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱,多
8、子的扩散加强,形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时,PN结变窄,正向电流较大,正向电阻较小,即PN结呈现低阻性,此时PN结导通。内电场PN------------------+++++++++++++++++++–2.PN结加反向电压(反向偏置)外电场P接负、N接正内电场PN+++------+++++++++---------++++++---–+IR内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流。PN结加反向电压时
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