《晶体二极管》PPT课件(I)

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1、概述在现代电子设备中，广泛地使用晶体二极管、晶体三极管和场效应管。他们都是半导体器件，集成电路中的元、器件也是由半导体材料制成。本书首先讨论半导体物理基础知识。本章重点是讨论二极管的基本特性。(a)晶体二极管内部结构示意图(b)电路符号第一章晶体二极管1－1半导体物理基础知识导体为容易传导电流的物质，如银、铜、铝等金属。绝缘体为几乎不传导电流的物质，如橡胶、陶瓷、塑料……等。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。1-1-1本征半导体（1）、本征半导体硅和锗原子的简化模型将硅和锗提纯后制成晶体

2、，其相邻原子之间靠共价键结合，整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单晶称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。硅和锗晶体共价键结构示意图（2）、本征激发和复合价电子从外界获得能量，将挣脱共价键的束缚成为自由电子，简称为电子。同时，在共价键中留下了空位，称为空穴，（自由电子和空穴统称为载流子）这种现象称为本征激发。本征激发产生自由电子-空穴对半导体的温度特性。复合是激发的逆过程。（3）、热平衡载流子浓度当温度一定时，上述本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值ni（单位体积内的载流子数）上达到动态平衡。其值随温度升高而迅速增大

3、，在室温附近，温度每升高8℃时，硅的ni增加一倍、温度每升高12℃时，锗的ni增加一倍，近似计算时认为温度每升高10℃时ni增大一倍。利用这种特性，本征半导体可以制成热敏元件。另外，光照增强时ni也增大，导电能力增强，利用这种特性，本征半导体可以制成光敏元件。1-1-2杂质半导体（1）N型半导体在本征半导体中，掺入少量的五价元素杂质(磷、锑或砷等)则可使晶体中的自由电子浓度大大增加，把这种半导体称为N型半导体。自由电子称为多数载流子，简称为多子；空穴称为少数载流子，简称为少子。（2）、P型半导体在本征半导体中，掺入少量的三价元素杂质(硼、镓、锢

4、或铝等)则可使晶体中的空穴浓度大大增加，把这种半导体称为P型半导体。空穴称为多数载流子，简称为多子；自由电子称为少数载流子，简称为少子。（3）、多子和少子热平衡浓度多子浓度约等于掺杂浓度。当温度一定时，两种载流子的热平衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。杂质补偿1-1-3漂移和扩散（1）、在电场作用下，载流子将在热骚动状态下产生定向运动，称为漂移运动。如形成回路，该运动产生的电流称为，漂移电流。（2）、扩散运动由浓度差引起载流子的定向运动。1-2PN结PN结的制造方法是在一块P(或N)型半导体中，用杂质补偿方法将其中的一半掺入五价(

5、或三价)杂质转换成N(或P)型，另一半仍为P(或N)型，这种制造方法能够保持半导体内部晶格结构的连续性。1-2-1动态平衡下的PN结边界浓度差，产生多子扩散运动两边的多子边扩散边复合，空间电荷区出现，产生内建电场。电场使少子产生漂移运动，抑制了多子的扩散运动多子扩散减弱，少子漂移增强，最终达到动态平衡内建电位差内建电场产生的电位差称为内建电位差VB。Na为P型半导体掺杂浓度，Nd为N型半导体掺杂浓度VT在常温(T=300K)下约等于26mV常温时，锗的VB≈0.2－0.3V硅的VB≈0.5－0.7V温度升高时，由于ni增大的影响比VT大，所以V

6、B将减小。通常温度每升高1℃,VB约减小2.5mV1-2-2PN结的伏安特性（1）外加正向电压在PN结的P区接直流电源V正极，N区接V负极，为加正向电压(又称为正向偏置，简称为正偏)。内电场E减弱，阻挡层宽度减小，利于多子扩散，正向电流I随外加电压的增加急速上升，PN结呈现为一个很小的电阻。（2）外加反向电压在PN结的P区接直流电源V负极，N区接V正极，为加反向电压(又称为反向偏置，简称为反偏)，PN结反偏时，内电场E增强，阻挡层宽度增大，只利于少子漂移。由于少子为本征激发产生，几乎与外加电压V无关，在一定温度下其数量是一定的，反向电流不随外加

7、电压V变化，称为反向饱和电流，用IS表示。在外加反向电压时，PN结呈现为一个很大的电阻。（3）伏安特性PN结的理想伏安特性方程为式中：q=1.61019库仑，为电子的电荷量；k=1.381023焦尔/K，为玻尔兹曼常数；T~为绝对温度；VT=kT/q为热电压，在室温(T300K或27℃)附近VT0.026V=26mV理想PN结的伏安特性曲线1-2-3PN结的击穿特性雪崩击穿低掺杂大于6V，正温度系数齐纳击穿高掺杂小于6V，负温度系数1-2-4电容特性势垒电容PN结反偏时扩散电容PN结正偏时