汽车电工电子技术 教学课件 作者 李子云、李树金、姜浩、姜小东 学习情境5任务1.ppt

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1、任务5.1认知二极管5.1.1半导体基本知识1P型与N型半导体在物理学中，按照材料的导电能力，可以把材料分为导体与绝缘体。衡量导电能力的一个重要指标是电阻率，导体的电阻率小于10-6Ωcm，绝缘体的电阻率大于106Ωcm，介于导体与绝缘体之间的物质被称为半导体。在电子技术中，常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和化合物半导体,如砷化镓（GaAs）等，目前最常用的半导体材料是硅。目前半导体工业中使用的材料是完全纯净、结构完整的半导体材料，这种材料称为本征半导体。当然，绝对纯净的物质实际上是不存在的。半导体材料通常要求纯度达到99.999999

2、％，而且绝大多数半导体的原子排列十分整齐，呈晶体结构。本征硅原子最外层有四个电子，其受原子核的束缚力最小，称为价电子，如图5-1所示。晶体的结构是三维的，在晶体结构中，原子之间的距离非常的近，每个硅原子的最外层价电子不仅受到自身原子核的吸引，同时也受到相邻原子核的吸引，使得其为两个原子核共有，形成共有电子对，称为共价键结构。在热力学温度零度（即T＝0K，约为-273.15℃）时，所有价电子被束缚在共价键内，不能成为自由电子。所以此时的半导体的表现就和绝缘体一样，不能导电。在本征半导体中掺入五价元素磷。由于掺入杂质比例很小，不会破坏原来的晶体结

3、构。掺入的磷原子取代了某些位置上的硅原子，如图5-2所示。磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚，成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加。这种由大量自由电子参与导电的杂质半导体称为电子型半导体或N型半导体。在本征半导体中掺入三价元素硼。由于每个硼原子只有三个价电子，所以就形成了一个天然的空穴。这样，在半导体中就形成了大量的空穴。这种由大量空穴参与导电的杂质半导体称为空穴型半导体或P型半导体，如图5-3所示。在掺杂半导体中多数载流子主要是由掺入的杂质元素提供的，所以可以通过控制掺杂浓度来改变半

4、导体的导电能力。掺杂半导体中尽管有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是呈电中性的。2PN结及其特性在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图5-4所示。P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。N型区内的自由电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而自由电子很少，这样自由电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。因此，有些自由电子要从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。自由电子和空穴带有相反的电荷，它们

5、在扩散过程中要产生复合，结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去自由电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结。在空间电荷区后，由于正、负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。显然，内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用，但却把P区的少数载流子（包括N区扩散到P区的）电子拉向N区，把N区

6、的少数载流子（包括P区扩散到N区的）空穴拉向P区，形成所谓的漂移运动。综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多数载流子克服电场阻力的扩散运动；另一种是少数载流子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN结中无宏观电流。PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当电源正极接P区，负极接N区时，称为给PN结加正向电压或正向偏置，如图5-5所示。由图可见，外加电压

7、在PN结上形成外电场，此时外电场与PN结内电场的方向相反。在外电场作用下，载流子的扩散运动和飘移运动的平衡被打破，外电场驱使P型区中的多数载流子（空穴）和N型区中的多数载流子（自由电子）都向PN结运动。当P型区空穴进入PN结后，就要与PN结中P型区的负离子复合，使P型区的电荷量减少；同时N型区自由电子进入PN结后，就要与PN结中N型区的正离子复合，使N型区的电荷量减少。结果PN结变窄，于是N区的自由电子不断地扩散到P型区，形成扩散电流。然而，当外加电压较小时，并不能完全削弱内电场，此时，只有很小的电流，只有外加电压增加到某一值时，才产生较大的扩

8、散电流，该电压称为PN结的死区电压，一般硅材料为0.7V，锗材料为0.3V。由上可知，PN结正向偏置时导通电流很大（外加电压大于死区电压时）。图5-5