半导体二极管及其基本电路PPT课件

Si
Ge
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
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在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点 阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它 原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子 之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶 体结构：
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硅和锗的共价键结构
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
思考：杂质半导体可能有几种类型？
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
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一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
+4
+4
共价键共 用电子对
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+4
+4
+4
+4
形成共价键后，每个原子的 最外层电子是八个，构成稳 定结构。
共价键有很强的结合力，使 原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，在绝对零度（0K）和无外界激发的条件 下，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此 很难导电；常温下纯净半导体中的自由电子也很少， 所以此时半导体的导电能力很弱。
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二、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼
（或百度文库），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时，空穴
产生一个空穴。这个空穴
可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼
+3
+4
原子接受电子，所以称为
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2.1.3 本征半导体
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
一、本征激发 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子
完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动 的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当 于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足 够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同 时共价键上留下一个空位，称为空穴。
（1）当受到外界温度、光照等环境因素的影 响时，其导电能力有明显变化。光敏、热敏特性
（2）向纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
它的导电能力明显改变。
掺杂特性
为什么半导体导电会具有这些特点？ 根本原因是由于半导体具有特殊的内部结构
——共价键的晶体结构。
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2.1.2 半导体的共价键结构
常见的半导体材料硅和锗，它们的最外层电子 （价电子）都是四个。
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2.1.1 半导体材料
一、导体、绝缘体和半导体 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体， 金属一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。
典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)以及砷 化镓(GaAs)。
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二、半导体的导电特点:
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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本节中的有关概念
• 本征半导体、本征激发
自由电子 空穴
复合
*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响
温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑
•杂质半导体
N型半导体、施主杂质(5价) P型半导体、受主杂质(3价)
*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
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三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
注：杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电 流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多
子。近似认为多子与杂质浓度相等。
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四、杂质对半导体导电性的影响 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大
的影响，一些典型的数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
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多余 电子
+4 +4
+5 +4 磷原子
思考：
N 型半导体 中的两种载 流子数量是 否相等？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2. 由于本征激发产生的电子和空穴对。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
• 多数载流子、少数载流子
end
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2.2 PN结的形成及特性
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本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的 导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要 的外部因素，这是半导体的一大特点。
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2.1.4 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
模拟电子技术基础
北华航天工业学院电子系 2008.3
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第二章 半导体二极管及其 基本电路
2.1 半导体的基本知识 2.2 PN结的形成及特性 2.3 半导体二极管 2.4 二极管基本电路及其分析方法 2.5 特殊二极管
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2.1 半导体的基本知识
2.1.1 半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体 2.1.4 杂质半导体
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本征激发：由于热激发或光照而产生自由电子和空穴 对，这个过程称为本征激发。
空穴
自由电子
自由电子和
空穴统称为
+4
+4
载流子。电
子带负电，
空穴带正电。 +4
+4
束缚电子
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二、本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下，
空穴吸引附近的电子来 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。