半导体器件基础与二极管电路

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1、20七月2021安徽师范大学数学计算机科学学院第5章半导体器件基础与二极管电路20七月2021本章内容概述导体器件的出现改变了电子电路的组成格局，从20世纪60年代开始，半导体器件开始逐步取代真空管器件，在电子电路中占据绝对主导地位。本章首先介绍半导体器件的基础知识，介绍PN结的单向导电原理，然后着重介绍半导体二极管器件的外部特性和主要参数，为正确使用器件打下基础，最后介绍几种常用的二极管应用电路。20七月2021导体、半导体和绝缘体一、导体自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。二、绝缘体有

2、的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、半导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。5.1半导体二极管的工作原理与特性半导体的导电特性半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于此类。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。二极管、三极管属于此类。本征半导体——化学成分纯净的半导体。制

3、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。电子技术中用的最多的是硅和锗。它们的最外层电子（价电子）都是四个。一、本征半导体1、本征半导体结构图5.1Ge和Si原子的模型GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的。纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。Ge或Si原子生成晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态，原子间的距离都是相等的。研究一块纯净的Ge或

4、Si晶体时，可发现每个原子有4个相邻的原子围绕着，每两个相邻原子间共有一对电子(称为价电子)，组成共价键结构，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。如图5.2所示。其本征半导体晶体结构如图5.3所示。图5.2Ge或Si晶体的共价键结构共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子+4+4+4+4图5.3本征半导体晶体结构示意图共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电

5、能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+42、本征激发在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。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，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1）.载流子、自由电子和空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。+4+4+4+4自由电

6、子空穴束缚电子空穴显示出的功效类似正电荷(严格地说，空穴不是正电荷)，所以，空穴也是一种载流子。2）.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补（但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为复合），这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动—电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决

7、于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。二、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。掺杂的半导体称为杂质半导体。掺杂的方法是将少量的杂质元素加

8、入到加热了的Ge或Si晶体中。如果在Si晶体中掺入少量的五价杂质元素，例如磷(P)元素，则P原子将全部扩散到加热了的Si晶体中。因为P原子比Si原子数目少得多，所以当冷却后形成固态晶体时，整个晶体结构不变，只是某些位置上的Si原子被P原子代替了。因为每个P原子有5个外层子，所以组成共价键后就自然而然地多出一个电子，此电子受原子核的束缚力很小，很容易成为自由电子。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