模电课件第三章(bobo)

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1、3.1半导体的基本知识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3.2PN结的形成及特性§3半导体二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体3.1.4杂质半导体3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。自然界中很容易导电的物体称为导体,金属一般都是导体。有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡胶、陶瓷、塑料。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Ge、硅Si、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。现代电子学中,用

2、得最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。锗Ge硅Si3.1.2半导体的共价键结构3.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构正离子形成相对稳定的结构1、本征半导体:纯净的,结构完整的半导体晶体本征半导体的共价键结构(硅)+4+4+4+4共价键共价键中的两个电子3.1.3本征半导体2、本征半导体的特点:在T=0K(绝对零度)和无外界激发时,没有自由运动的带电粒子——载流子;此时每一原子的外围电子都被共价键所束缚,对半导体内的传导电流没有贡献。+4+4+4+43.1.3本征半导体3.1.3本征半导体T,受热激发,少数价电子

3、会挣脱共价键,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴——本征激发。+4+4+4+4自由电子束缚电子空穴空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。+4+4+4+4132电子的移动:123空穴的移动:321在其它力的作用下,空穴吸引邻近的电子来填补,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,因此可以认为空穴是载流子。3.1.3本征半导体结论:空穴和电子移动的方向相反3、本征半导体中的两种载流子:自由电子带正电,所带电量与电子相等;b.可以“移动”(虚拟);c.本征半导体中,自由电子和空穴同时成对出现,称为电子空穴对。所以两者浓度相等

4、。3.1.3本征半导体由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴-电子对空穴(价电子挣脱束缚后留下的空位)载流子——可以自由移动的带电粒子。电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关,载流子浓度越高,电导率越高。半导体与导体的区别在于:半导体中有空穴,自由电子和空穴都能移动。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。半导体材料一定,载流子浓度随温度按指数规律增大,因此半导体的导电能力随温度增加而增加。总结:3.1.4杂质半导体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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体

5、。N型半导体——掺入五价杂质元素(如磷)的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。1.电子型(N型)半导体+4+4+4+5多余电子磷原子本征掺杂:本征半导体得到大量电子不产生空穴五价磷3.1.4杂质半导体特点自由电子为多数载流子(多子)空穴为少数载流子(少子)(主要由本征激发产生);b.磷原子被称为施主杂质,本身因失去电子而成为正离子。本征激发形成少量的电子空穴对;3.1.4杂质半导体2.空穴型(P型)半导体+4+4+4+3多余的空穴硼原子本征掺杂:本征半导体得到大量空穴不产生电子三价硼3.1.4杂质半导体特点空穴为多数载流子(多子)自由

6、电子为少数载流子(少子)(主要由本征激发产生);b.硼原子被称为受主杂质,本身因获得电子而成为负离子;本征激发形成少量的电子空穴对。3.1.4杂质半导体3.1.4杂质半导体3.杂质对半导体导电性的影响在P型半导体中,受主原子(3价)浓度NA,n表示少电子的浓度(本征激发),p表示总空穴的浓度,其关系为:NA+n=p在N型半导体中,施主原子浓度ND,n表示自由电子的浓度,p表示少子空穴的浓度,其关系为:n=p+ND总结1、P型半导体中空穴是多子,其中大部分是掺杂提供的空穴,本征半导体中受热激发产生的空穴只占少数。P型半导体中电子是少子,少子的迁移也能形成电流,

7、由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。2、N型半导体中电子是多子,空穴是少子。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质。3、在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法。3.1.4杂质半导体3.2PN结的形成及特性3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动:在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。(其中空穴移动方向与电场相

8、同,电子则相反)扩散运动:由载流子浓度差引起的载流子

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1、3.1半导体的基本知识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3.2PN结的形成及特性§3半导体二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体3.1.4杂质半导体3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。自然界中很容易导电的物体称为导体,金属一般都是导体。有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡胶、陶瓷、塑料。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Ge、硅Si、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。现代电子学中,用

2、得最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。锗Ge硅Si3.1.2半导体的共价键结构3.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构正离子形成相对稳定的结构1、本征半导体:纯净的,结构完整的半导体晶体本征半导体的共价键结构(硅)+4+4+4+4共价键共价键中的两个电子3.1.3本征半导体2、本征半导体的特点:在T=0K(绝对零度)和无外界激发时,没有自由运动的带电粒子——载流子;此时每一原子的外围电子都被共价键所束缚,对半导体内的传导电流没有贡献。+4+4+4+43.1.3本征半导体3.1.3本征半导体T,受热激发,少数价电子

3、会挣脱共价键,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴——本征激发。+4+4+4+4自由电子束缚电子空穴空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。+4+4+4+4132电子的移动:123空穴的移动:321在其它力的作用下,空穴吸引邻近的电子来填补,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,因此可以认为空穴是载流子。3.1.3本征半导体结论:空穴和电子移动的方向相反3、本征半导体中的两种载流子:自由电子带正电,所带电量与电子相等;b.可以“移动”(虚拟);c.本征半导体中,自由电子和空穴同时成对出现,称为电子空穴对。所以两者浓度相等

4、。3.1.3本征半导体由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴-电子对空穴(价电子挣脱束缚后留下的空位)载流子——可以自由移动的带电粒子。电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关,载流子浓度越高,电导率越高。半导体与导体的区别在于:半导体中有空穴,自由电子和空穴都能移动。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。半导体材料一定,载流子浓度随温度按指数规律增大,因此半导体的导电能力随温度增加而增加。总结:3.1.4杂质半导体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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体

5、。N型半导体——掺入五价杂质元素(如磷)的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素(如硼)的半导体。1.电子型(N型)半导体+4+4+4+5多余电子磷原子本征掺杂:本征半导体得到大量电子不产生空穴五价磷3.1.4杂质半导体特点自由电子为多数载流子(多子)空穴为少数载流子(少子)(主要由本征激发产生);b.磷原子被称为施主杂质,本身因失去电子而成为正离子。本征激发形成少量的电子空穴对;3.1.4杂质半导体2.空穴型(P型)半导体+4+4+4+3多余的空穴硼原子本征掺杂:本征半导体得到大量空穴不产生电子三价硼3.1.4杂质半导体特点空穴为多数载流子(多子)自由

6、电子为少数载流子(少子)(主要由本征激发产生);b.硼原子被称为受主杂质,本身因获得电子而成为负离子;本征激发形成少量的电子空穴对。3.1.4杂质半导体3.1.4杂质半导体3.杂质对半导体导电性的影响在P型半导体中,受主原子(3价)浓度NA,n表示少电子的浓度(本征激发),p表示总空穴的浓度,其关系为:NA+n=p在N型半导体中,施主原子浓度ND,n表示自由电子的浓度,p表示少子空穴的浓度,其关系为:n=p+ND总结1、P型半导体中空穴是多子,其中大部分是掺杂提供的空穴,本征半导体中受热激发产生的空穴只占少数。P型半导体中电子是少子,少子的迁移也能形成电流,

7、由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。2、N型半导体中电子是多子,空穴是少子。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质。3、在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法。3.1.4杂质半导体3.2PN结的形成及特性3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动:在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。(其中空穴移动方向与电场相

8、同,电子则相反)扩散运动:由载流子浓度差引起的载流子

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