第二章 PN结二极管及其应用

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1、第二章PN结二极管及其应用§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3二极管应用电路§1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应电子线路一、本征半导体1、什么是半导体？什么是本征半导体？导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电

2、子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质稳定的结构电子线路2、本征半导体的结构共价键由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴动态平衡自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。电子线路2、什么是热平衡状态？在一定温度下，激发和复合会达到一种动态平衡，单位体积内的两种载流子的数量就不再增长。3Eg带隙能量npATe22KTii0波尔兹曼常数绝对温度与半导体材料相关参数电子线路3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时

3、，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度敏感：温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。两种载流子为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？电子线路二、杂质半导体1.N型半导体多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？杂质半导体主要靠多数载5流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。磷（P）电子线路2.P型半导体多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，3在杂质半导体中，温度变化时，载流

4、子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？硼（B）电子线路小结1.掺入杂质浓度决定了多子浓度；温度决定了少子的浓度。2.杂质半导体多子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。---------且温度不敏感！3.杂质半导体总体上保持电中性，表示方法如下图所示。(a)N型半导体(b)P型半导体电子线路三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有。PPNN型半导体PN结N区自由电P区空穴子浓度远高浓度远高于P区。于N区。电子线路扩散运动1、PN结的形成多子扩散运动空间

5、电荷区产生内电场漂移运动扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。内电场漂移运动。扩散和漂移动态平衡PN结。动态平衡条件：IIPN结是电中性的。FR电子线路上节回顾：半导体与PN结提纯掺杂结合半导体本征半导体掺杂半导体PN结空间电荷区阻挡层控制载流子耗尽层本本PN4晶征征型型价体激复元结发合浓度差内电场素构多子与少子自由电子、空穴成对载流子扩散漂移自由电子、空穴多子少子运动运动导电率人控导电性能导电性能差导电性提高弱温度敏感导电性？温度不敏感电子线路2、PN结的单向导电性*必要吗？PN结加正向电压导通：

6、PN结加反向电压截止：耗尽层变窄，扩散运动加剧，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有由于外电源的作用，形成扩散电利于漂移运动，形成漂移电流。由于流，PN结处于导通状态。电流很小，故可近似认为其截止。电子线路2、PN结的单向导电性综上所述：当PN结正向偏臵时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏臵时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。电子线路思考PN结耗尽层物理位臵是不是一定沿交界面中心线对称？PN电子线路5、PN结的电容效应当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之

7、发生变化，使PN结具有电容效应。势垒电容扩散电容1.势垒电容C由PN结的空间电荷区变化形成的。b：空间空间P电荷区NP电荷区NII+UVU+VRR(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压电子线路5、PN结的势垒电容势垒电容的大小可用下式表示：：半导体材料的介电比系数；dQSS：结面积；CbdUll：耗尽层宽度。Cb由于PN结宽度l随外加电压变容u而变化，因此势垒电容Cb不是一二极管个常数。其C=f(U)曲线如图示。bOu电子线路5.扩散电容Cd扩散浓度梯度变化--多子在扩散过程中积累而引起的。正偏，P区电子浓度n(N区空穴浓p

8、PN结度p)分布曲线如图示。nNP当电压加大，n(p)会升高，反之浓度pnnP会降低。2正向电压变化，变化载流子积累