电子线路梁明理课件第一章

武汉大学物理科学与技术学院
N型半导体 电子为多数载流子（掺杂+热激发） 空穴为少数载流子（热激发） 思考：本征半导体，N掺杂之后，空穴比未加杂质时多了 ？少了？为什么？ 施主 P+
N‐type silicon
‐
P+
P+
P+
P+
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‐
‐
‐
‐
热激发
+
‐
P+
P+
P+
‐
‐
‐
‐
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反向特性 反向电压较小时，反向电流IR(sat)很小，但随温度的升高 上升。硅管的IR(sat)小于0.1uA且基本不随反向电压改变， 锗管的IR(sat)小于0.1mA但随电压变化。 二极管反向偏置时，由于PN结表面漏电流的存在，使反 向电流稍有加大，且随反向电压的增加略有增加。 反向击穿特性 反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千 伏）。
E
空穴：高电位→低电位
+++++
PN结的形成

本征半导体衬底，一侧N型掺杂，一侧P型掺杂 交界面形成PN结 扩散运动->内建电场->漂移运动，动态平衡
+
+
P型
‐
E
+
N型
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‐
B‐
B‐
B‐ +
P+
P+
‐
‐
+
+ B‐
P+
‐
‐
B‐ +
B‐
B‐ +
P+
‐
+ ‐ B
+
P+
P+
‐ ‐
第一章 半导体器件的特性
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§1.1 PN结
本征半导体的导电特性

导体：<=10-4Ω.cm， 如：铜，银，铝等低价金属 绝缘体： >=109Ω.cm， 如：惰性气体、橡胶等 半导体：导电性介于导体与绝缘体之间，可调控(电场、 掺杂、光照)。如硅（Si），锗(Ge)，砷化镓(GaAs)等。 本征半导体：纯净的(不含杂质)的且(晶格)结构完整的半 导体晶体。
‐
平衡时的PN结
P‐side
‐
电场 (x)
+
N‐side
q∙ND
电荷 ‐q∙NA
x
V(x)
电势
V0
x
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外加正向电压：P端接电源正极，N端接电源负极。
P‐side
‐‐ +
(x)
VV 0‐0 V1
N‐side
V1
x
Vj(x) V0‐V1
耗尽层变窄 减小内建电场 多子扩散运动增强 正向电流为主 PN结处于导通状态 x
0 i I SAT
v VT

e
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PN结的伏安特性

v >0时为正向特性
i
i 随v呈指数形式增大

v <0时为反向特性 |v|<VBR时,i 遵守PN结电流方程
v
|v|>VBR时,PN结内合成 电场强度太大，i 急剧 增加，称为反向击穿 VBR称为击穿电压。 出现反向击穿时若不对电流加以限制，可能造成PN结的永久 性损坏。
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-
-
-
-
-
-
-
Si -
Si
Si
-
+
Si
-
-
-
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Si -
Si
Si
Si
-
-
-
-

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-
-
-
-
-
-
-
Si
Si
Si
+
-
-
-
-
-
+ Si
-
-
-
-
-- -
-
-
Si
Si
Si
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

自由电子和空穴都能在电场的作用下移动形成电流，因 而称为载流子。空穴可以等价为带正电的空穴载流子。 室温附近，每升高8摄氏度，载流子浓度增加一倍。
-
-
-
4
Si
‐ B
Si
-
-
-
-
2
-
- -
1
2
-
1
-
-
-
-
-
Si
-
Si
-
Si
Si +
-
-
-
-
-
-
N型半导体 掺入微量的5价元素（磷，砷，锑等） 杂质原子提供一个1个多余电子 被称为施主杂质 固定正电荷（掺杂） P型半导体 掺入微量的3价元素（硼，铝等） 杂质原子提供一个1个空穴 被称为受主杂质 固定负电荷（掺杂）
2、实际二极管的伏安特性
正向特性 正向电压较小时，外加电场不足以克服内建电场对载流 子扩散的抑制，故正向电流仍然很小。当正向电压加大， 超过一定数值vth时，电流显著加大。 vth为二极管的门 锗二极管vth约为0.1V。

限电压（开启电压、阈值电压），硅二极管vth约为0.5V，
二极管正向偏置时，P区和N区的体电阻、电极的接触电 阻、引线电阻的存在使正向电流有所减小。
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PN结的形成
扩散运动：由于浓度差而产生的载流子的运动。
1
n1
扩散电流
-
-
2
n2 < n1
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漂移运动：由于电势差而引起的电场力作用下的载流子的 电子：低电位→高电位 运动。
+ +
+ +
+ +
jp
jn
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-
+ +
-
-
-
-
-
-
-

‐
P+ +
‐
P+
空间电荷区(耗尽层)： 可自由移动的载流子相互复合后，一定范围内只存在不 可移动的固定电荷，即空间电荷区(耗尽层、势垒层、阻 挡层)。 + + + ‐ ‐ B B + B‐ + B‐ +
P型
‐
E

+
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‐
B‐
P+
P+
P+
‐
B‐
P+
N型
‐
‐
B‐
B‐
P+
P+
‐
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PN结的三种工作状态



正向导通 外加正偏电压，PN结导通，正向电流随外加电压以指数 形式增加； 反向截止 外加反偏电压，PN结截止，在一定的反向偏压范围内通 过PN结的反向电流保持不变（饱和）； 反向击穿 反向偏压过大，PN结被击穿，反向电流迅速放大。
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+++++++
掺杂半导体的导电特性
本征半导体中掺入微量其他元素原子（杂质），杂质半导体。 N型半导体(Negatively charged Semiconductor)，5价元素磷 P型半导体(Positively charged Semiconductor)，3价元素硼
5
P
3
+
3
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限幅电路中的二极管常视为理想二极管，忽略二极管的 门限电压Vth和正向压降且将反向电阻视为无穷大。 v i>=VR时，二极管视为短路，v o=VR
v i<VR时，二极管视为断路，v o=v i
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2、稳压电路 稳压电路采用电流控制的方法来稳定输出电压。当输入 电流或输出负载变化时，通过二极管上电流的变化补偿 输出电流的变化，进而通过限流电阻产生调压作用，保 证输出电压稳定。 稳压二极管工作在反向击穿状态 Vi↑ IL↑ Vo↑ IZ↑↑ VR↑↑ Vo↓ →Vo不变 Vi↓ …… RL↓ IL↑ Vo↓ IZ ↓↓ VR ↓↓ Vo↑ →Vo不变 RL↑ ……
PN结的 特性
理解特性
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§1.2 二极管
一、二极管的结构及符号
半导体二极管是由一个PN结及它所在的半导体再加上电 极引线和管壳构成。
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二、二极管的伏安特性 1、PN结的伏安特性 Vv kqvT B T PN结的电流方程 i I SAT e 1 I SAT e 1
P+ P+
‐
P型半导体 空穴为多数载流子（掺杂+热激发） 电子为少数载流子（热激发） 掺杂对半导体导电能力影响很大，掺入0.01%的杂质，载流子 浓度将增加10000倍。 + ‐ B 热激发 + + + +