第二章PN结和二极管

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1、2.1半导体基础2.2PN结和二极管2.3二极管模型2.4二极管的应用12015年9月21日星期一2.1半导体基础半导体定义:电阻率10－5Ω·m导体，107Ω·m绝缘体，之间的为半导体。特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等2.1.1本征半导体2.1.2P型和N型半导体22015年9月21日星期一2.1.1本征(intrinsic)半导体——纯净无掺杂的半导体。制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”。(1)共价键结构(2)电子

2、空穴对(3)空穴的移动(4)能带结构32015年9月21日星期一(1）共价键结构空间排列有序的晶体以硅原子(Si)为例：原子外层轨道上的电子有4个，价电子(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图42015年9月21日星期一（2）电子空穴对T=0K时本征激发和复合的过程本征激发（热激发）电子(-)电子空穴对：载流子（Carrier)空穴(+)复合本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!52015年9月21日星期一(3)空穴的移动(导电）空穴的运动=相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的62015年9月21日

3、星期一(4)能带结构自由电子的能量较大，其能级位置处于导带之中；价电子的能量较低，能级位置在价带之中；导带与价带之间是禁带。72015年9月21日星期一2.1.2P型和N型半导体杂质半导体本征半导体的缺点？1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1)N型半导体(2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响82015年9月21日星期一施主杂质(1）N型半导体（电子型半导体）正离子特点：多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（由热激发形成）掺杂：少量掺入五价杂质元素（如：磷5个价电

4、子）92015年9月21日星期一(2）P型半导体（空穴型半导体）特点：多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子：电子（由热激发形成）掺杂：少量掺入三价杂质（如硼B、镓Ga和铟In等3个价电子）受主杂质负离子102015年9月21日星期一(3)杂质对半导体导电性的影响影响很大。载流子数目剧增典型数据如下:1T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm32掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm33本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

5、112015年9月21日星期一在硅和锗的能带图中，磷的能级位置在禁带之中而又靠近导带，只要很小的激发能便可使多余的电子挣脱原子核的束缚变成自由电子；而硼的能级只比价带顶高0.045eV，只要很小的激发能，价电子就会挣脱共价键的束缚，从价带跳到这个能级上，在价带上留下一个空穴。122015年9月21日星期一2.2PN结和二极管2.2.1平衡态PN结中的载流子分布2.2.2PN结的伏－安特性2.2.3PN结的击穿132015年9月21日星期一2.2.1平衡态PN结中的载流子分布形成两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种

6、运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）PN结的形成过程142015年9月21日星期一PN结的形成小结：浓度差多子扩散空间电荷区(杂质离子)内电场促使少子漂移阻止多子扩散当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结152015年9月21日星期一实质PN结，空间电荷区，耗尽层，内电场，电阻电位壁垒：硅材料0.6～0.8V锗材料0.2～0.3V单向导电性单向导电性：PN结正偏时导通（大电流），PN结反偏时截止（小电流）。偏置(bias)162015年9月21日星期一(1)PN结正偏(U>U)时——导通PN外加的正向电压削

7、弱了内电场。正偏PN结呈现低阻性正向电流172015年9月21日星期一(2)PN结反偏(U

8、性：VVTII(e1)S实际二极管的伏安特性两点区别：1)正向特性(V>0)存在死区电压硅：V=0.5Vth锗：V=0.1Vth2)反向特性(V<0)存在击穿电压202015年9月21日星期一三、二极管的主要参数(1)IF——最大整流电流长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流(2)VBR——反向击穿电压(3)