模电第一章

I/mA 60
e
uD
UT
1
uD uT
正向
40 20 -50 -25 死区 电压 O 0.4 -20 0.8
iD I S e
(4) 当uD>>UT后，曲线上升 斜率 uD di D iD UT 1 ISe duD UT UT
导 通 后 的 管 压 降 uD 约 为 0.7V(硅管)、0.3V(锗管)。
+4
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后退
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将锗和硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本 上整齐排列。 晶体平面结构 晶体立体结构
半导体一般都有这种晶体结构
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本征半导体就是完全纯净的，具有晶体结构的半导体。
在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合， 每一个原子的 一个价电子与另一个原子的 一个价电子组成一个共 用电子对，把相邻的两个原子结合起来，形成共价键结构。
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（1）N型半导体 在本征半导体中，掺入少量五价杂质元素，如磷、砷：
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加入杂质后，杂质P原子替代某些硅原子。杂质原子的五个价 电子中，只能有四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子组 成共价键，多余的那个价电子很容易受激发脱离原核的束缚 成为自由电子，但并不同时产生空穴， 相应的五价元素的原 子因失去一个电子而成为不能自由移动的正离子，掺入的杂 质密度足够大时，有大量的自由电子产生。
N 型半导体
+ + + + + + + + + + + +
中性区
空 间 电 荷 层 内 电 场方向
中性区
势 垒
U0
PN结一侧带正电，另一侧带负电，在两种半导体之间 存在电位壁垒，对多子向另一侧扩散起阻碍作用，称为势 垒或位垒，记作U0。
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不对称的PN结
P
_ _ _ _ _ _
电子是多数载流子（空穴是少数载流子），简称多子。 电子带负电，所以称这种半导体为N(negative)型或电子型半 导体。 所掺入的杂质能给出电子，称为施主杂质。
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(2) P型半导体
当本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等:
因三价元素缺少一个价 电子，而从而产生一个 空穴和一个负离子。 使半导体中空穴成为多 子，空穴带正电，所以 称为P(positive)型或空穴 型半导体。 所掺入的杂质能接受电 子，称为受主杂质。 上页
正极 二氧化硅 保护层
P 型区 N 型硅 负极
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后退
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1．正向特性 (1) 整个正向特性曲线近似地呈现为 指数曲线。（由于二极管的引线电阻， 体电阻很小，电极间的漏电阻又很大， 对其伏安特性的影响均不大）
I/mA 60
正向
40 20 -50 -25 死区 电压 O 0.4 -20 0.8
正极 金属触丝 P 型区 锡 N 型锗 N 型硅 支座 负极 负极 上页 下页 后退 正极 二氧化硅 保护层
P 型区
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1.2.2 半导体二极管的伏安特性
i D / mA
8 _ _ 4 40
iD
正 向 特 性 0. 8
uD
i D / mA
800
400
80
_
120
_ 60
正 向 特 性
0. 8
0 反向特性
U T 26mV
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后退
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i I s (e
讨论：
（1）当u=0时，i=0
u
UT
1)
u UT
（2）当u>0，且 u UT 时， i I Se
i （3）当u<0，且 u UT 时，
I S
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1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型
iD I S e
uD uT
(2) 当正向偏置电压较小时， iD 近似为零，这一电压区域称为死 区。死区的电压范围称为死区电 压，硅管的死区电压约为0.5伏； 锗管的死区电压约为0.1伏。 上页
击穿电压
U(BR) 反向 下页
-40 I/μA
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(3) uD大于死区电压后 uD U T
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1.2.4 半导体二极管的主要电参数 1.额定电流IF
I/mA 60
2.反向击穿电压U(BR)
) ) ( UF
PN结中的外电场削弱 了内电场，势垒下降,有利 于多子扩散， 大量的多子 通过PN结，形成大的正向 电流。 此时，一部分多子在 扩散过程中与空间电荷区 的离子中和，使PN结变窄。
+
P
U= _ _ _ _
_
+ + + +
N
内电场方向 外电场方向
PN结呈现低阻、导通状态。
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U 0_U
同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方 式特点， 也是半导体和金属导电原理的 本质区别。 2．掺杂半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素， 这 类半导体称为掺杂半导体。能使半导体的导电能力成 千上万倍的提高。 根据掺杂的不同，杂质半导体分为：N型半导体和P 型半导体。
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F
U0
后退
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2．PN结反向偏置
PN结中产生的外电场加强 了内电场，势垒增加，PN结变 宽。势垒提高，有利于少子漂 移，不利于多子扩散。 由于少子是由热激发产生 的，浓度很低。 当反向电压 使几乎所有的少子均参与了导 电， 反向电流不再增加，此 电流称为反向饱和电流，记作 限流电阻R
V
_
I =(-I R)
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(3)产生击穿的机理：
(a)齐纳击穿
对于掺杂浓度高的PN结，空间电荷层的宽度很薄，所 以在较低的反向电压下，空间电荷区中就有较强的电场， 足以把空间电荷层里的半导体原子的价电子从共价键中激 发出来，使反向电流突然增大，出现击穿，称这种击穿为 齐纳击穿。
击穿电压低于4伏时，主要是由齐纳击穿。 当温度上升时，价电子的能量增加， 使价电子激发需 要的电压变小。齐纳击穿电压具有负的温度系数。
当N区及P区中的少子靠近PN结时，受内电场的作 用而被加速，向另一侧漂移。形成漂移电流。
在PN结两端开路的条件下，少数能量大的多子可 以克服内电场（即自建场）产生的电场力扩散到另一 侧，形成扩散电流。 经过交界面的由多子扩散形成的扩散电流与少子 漂移形成的漂移电流大小相等、方向相反、动态平衡。
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+
U=- UR
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + +
P
N
内电场方向
外电场方向
IS 。
PN结呈现高阻、截止状态。
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U0 U0-UR 后退
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1.1.3 PN结的电压与电流关系
i I s (e
IS—反向饱和电流
u
UT
1)
U T kT q ，为温度电压当量，T为绝对温度，K玻耳 兹曼常数， q为电子电量。在室温 (T 300K)时，
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后退
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共价键对价电子的束缚力较弱， 在获得一定能量（温度增高或 受光照）后， 即可挣脱原子核的束缚（电子受到激发）成为自 由电子。同时，在原来的共价键中留下一个空位，称为空穴。
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后退
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本征激发（主要是热激发）使空穴和自由电子成 对产生；它们相遇复合时，成对消失。 当温度一定时，激发和复合动态平衡，“空穴、电 子对”浓度一定 。
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后退
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N型半导体和P型半导体均属非本征半导体，其中 多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少子 的浓度主要取决于温度；所产生的离子，不能在外电 场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。 当N型半导体中再掺入三价杂质元素，且其密度大 于原掺入的五价杂质元素，可转型为P型半导体； 反 之，P型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为 N型半导体。
_
u D/ V
击 穿 特 性
反向特性
_
0
0. 2
u
D
/V
0. 2
锗管
_ 0. 4
硅管
后退
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虽然半导体二极管的核心是PN结，但在半导体二极 管中，还有电极的引线电阻、 管外电极间的漏电阻、 PN结两侧中性区的体电阻。都会对伏安特性有所影响。 引线电阻及体电阻与PN结 串联，主要影响半导体二极管 的正向偏置时的伏安特性—— 正向特性； 漏电阻较大，与管子并联， 主要影响半导体二极管的反向 偏置时的伏安特性——反向特 性。
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后退
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3.PN结的形成：
当半导体的一边是N型半导体，另一边是P型半导体时，由 于浓度差的作用使得多子互相扩散， 通过交界面到达对方， 并与对方的多子复合。 在N区和P区之间的交界面附近将形成一 个极薄的空间电荷层，称为PN结。
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下页另一方面，加速少 子的漂移。
+ + + + + +
N+
当N区和P区的掺杂浓度不等时，掺杂浓度高的一侧（常用P+或N+表 示）离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄； 掺杂浓度低的一 侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽，PN结不对称。 上页 下页 后退