半导体二极管培训教程模版(PPT45张)

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价
电
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子
共
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价
键
图1–1 硅和锗简化原子
结构模型
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图 1 – 2 本征半导体共价键晶体结构示意图
共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其 中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 同时必然
在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电, 如图 1-３所
示。
价电子在热运动中获得能量产生了电子-空穴对。同 时自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象称为复合。在一定温度下, 载流子 的产生过程和复合过程是相对平衡的, 载流子的浓度是一 定的。本征半导体中载流子的浓度, 除了与半导体材料本 身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高, 基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度 十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高８℃, 本征载流 子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高１２℃,
1.1.1 本征半导体
纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导 体材料是硅和锗, 它们都是四价元素, 在原子结构中最外层 轨道上有四个价电子。为便于讨论, 采用图 1-１ 所示的简 化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个 原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面 围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的 轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到 相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子 用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图１ - ２所示。
外加的正向电压有一部 分降落在PN结区，方向与 PN结内电场方向相反，削弱 了内电场。于是,内电场对 多子扩散运动的阻碍减弱， 扩散电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略漂移 电流的影响，PN结呈现低阻 性。
图1－7 PN结加正向电压 时的导电情况
(2) PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况如图1－8所示。
第一章 半 导 体 二极管
1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管的特性及主要参数 1.3 二极管电路的分析方法 1.3 特殊二极管 1.3 半导体二极管特性的测试与应用
1.1 半导体基础知识
物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。
物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场 作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈 现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质 (如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆 脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为 绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易 摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原 子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。
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自由
空穴
电子
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图 1 – 3 本征半导体中的自由电子和空穴
由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电 的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中, 自由电 子与空穴是同时成对产生的, 因此, 它们的浓度是相 等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度, 即 ni=pi, 下标i表示为本征半导体。
外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方在向一相定同的，温加度强条了件内下电，场。内电场对多子扩散运动的阻碍 增由强本，征激发决定的少子浓 扩度散是电一流定大的大，减故小少。子此形时成 P的N结漂区移电的流少是子恒在定内的电，场基的 作本用上下与形所成加的反漂向移电电压流的大大 于小扩无散关电，流这，个可电忽流略也扩称散为 电反流向，饱P和N结电呈流现。高阻性。
ｎｉ增加 1 倍。 除此之外, 半导体载Fra Baidu bibliotek子浓度还与光照有
关, 人们正是利用此特性, 制成光敏器件。
1.1.2 杂质半导体
1.
在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 如磷、锑、砷等, 则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质 原子的最外层有５个价电子, 因此它与周围４个硅(锗)原子 组成共价键时, 还多余 1 个价电子。 它不受共价键的束缚, 而只受自身原子核的束缚, 因此, 它只要得到较少的能量就能 成为自由电子, 并留下带正电的杂质离子, 它不能参与导电, 如图１-４所示。显然, 这种杂质半导体中电子浓度远远大于 空穴的浓度, 即nn>>pn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体), 主要靠电 子导电, 所以称为Ｎ型半导体。由于５价杂质原子可提供自 由电子, 故称为施主杂质。Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数 载流子；空穴称为少数载流子。
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。
PN 结形成的过程 可参阅图 1 – 6 。
＋4
＋4
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键外 电子
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＋5
＋4
施主 原子
＋4
＋4
＋4
图 1 - 4 N型半导体共价键结构
2. P型半导体
在本征半导体中, 掺入微量３价元素, 如硼、镓、铟等, 则 原来晶格中的某些硅 (锗)原子被杂质原子 代替。
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受主
原子
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＋4
空位
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图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
图1－6 PN结的形成过程
二、 PN结的单向导电性
PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到 N区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电 流小。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正 偏；
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
(1) PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图1－7所示。
P型半导体中空穴是多数载流子，主 要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由 热激发形成。
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。
1.1.3ＰＮ 结
一、 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形 成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体 的结合面上形成如下物理过程: