半导体二极管及其基本电路(12)

－－－－ － － + + + + + +
势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.2V
所 相以当扩于散 两和 个漂 区移 之这间一没扩对有散运相电动反荷的运运动动，最空终间达 电到 荷平 区衡 的， 厚
度固定不变。
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注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
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1.势垒电容CB
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电
荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有
一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外
加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加, 如图所示；反之,
外加电压使阻挡层变窄时, 电荷量减少。即阻挡层中
的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效应, 称
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1.1.2 杂质半导体 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。
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第 1 章 半导体二极管及 其基本电路
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体二极管的应用 1.4 特殊二极管
小结
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1.1 半导体的基础知 识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体
1.1.3 PN结及其特性
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多的价电子撞击出来，如此连锁反应像雪崩那样，
造成载流子猛增，使反向电流急剧增大。
(击穿电压 > 7 V) 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。
热击穿 — PN 结烧毁。
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4、PN 结的电容效应 ＰＮ结的电容效应
C Q 或C dQ
U
dU
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。而 ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有电荷的变化, 说明 ＰＮ结具有电容效应。ＰＮ结具有两种电容： 势垒电 容和扩散电容。
+3 +4
所以称为受主原子。
硼原子
P 2021/3/6 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 19
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二、 P 型半导体
P型
+4
+4
+4
空穴 — 多子 电子 — 少子
载流子数 空穴数
+4
+3
+4
硼原子
空穴
P型半导体呈电中性。正电荷量（由硅（锗）原子失去电子形
成的空穴和本征激发的空穴所带），负电荷量（由负离子
的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空
位(空穴)
自
由
电
子
空 穴
空穴
空穴可在共 价键内移动
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＋4 空穴
＋4
＋4
自 由 电子
可见本征激发同时产生电子空穴 对。
外加能量越高（温度越高）， 产生的电子空穴对越多。
＋4
＋4
＋4
与本征激发相反的现象——
复合
＋4
＋4
＋4
在一定温度下，本征激发 和复合同时进行，达到动 态平衡。电子空穴对的浓 度一定。
外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。
外电场
内电场
扩散运动加强形成正向电流 IF 。
IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
2）. 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias
IR P 区
N区 内电场 外电场
外电场使多子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。
漂移运动加强但少子数量有限， 只能形成较小的反向电流 IR
3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
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二、PN 结的单向导电性
1.定性分析
1）. 外加正向电压(正向偏置) — forward bias
P 区加正、N 区加负电压。
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IF P 区
N区
和本征激发的电子所带）
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三、杂质半导体的导电作用
I
IN
IP
I = IP + IN N 型半导体 I IN P 型半导体 I IP
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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两种载流子 电子(自由电子) 空穴
两种载流子的运动 自由电子(在共价键以外)的运动 空穴(在共价键以内)的运动
结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 4.本征半导体呈电中性.
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本征激发：
在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共 价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一 个空位(空穴)的过程。
复 合：
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成 对消失的过程。
漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
载流子 ： 自由运动的带电粒子
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3、本征半导体的导电情况
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。
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3、本征半导体的导电情况
在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键
为势垒电容,用ＣB表示。
CB
dQ dU
S 4 d
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W＋W W
－＋ －－＋ －－＋ － － － ＋
＋ ＋ ＋ ＋
－＋
U＋U
阻挡层内电荷量随外加电压变化
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2.扩散电容CD
扩散电容是ＰＮ结在正向电压时, 多数载流子在扩散过程中
引起电荷积累而产生的。当ＰＮ结加正向电压时,Ｎ区的电子
1.1.1 本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。
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半导体的特性 1.热敏特性：半导体的导电能力与温度有关 利用该特性可做成热敏元件。
2.光敏特性：半导体的导电能力与光的照射有 关系利用该特性可做成光敏电阻、光电耦合 器件和光电晶体管等。 3.掺杂特性：掺入少量特定的杂质元素可以改变半导
电子空穴对
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常温300K时：
电子空穴对的浓度
硅：1.4 1010
cm3
锗：2.5 1013
c10m3
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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。
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1.1.2 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。
N 型、 P 型半导体
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）。
一、PN 结(PN Junction)的形成 1. 载流子的浓度差引起多子的扩散
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内建电场
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1.1.3 PN 结及其特性
2. 复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层) 空间电荷区特点:
无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。 高阻区 3. 扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流 等于漂移电流，总电流 I = 0。
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1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体
N型
+4
+4
+4
电子为多数载流子 空穴为少数载流子
+4
+5
+4
磷原子
多余电子
载流子数 电子数
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模 拟电子技术
+4
+4
+4
+4
+5
+4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
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）。
3.N型半导体呈电中性。正电荷量（由正离子和
本征激发的空穴所带），负电荷量（由杂质原子施放的
电子和本征激发的电子所带）
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硅(锗)的共价键结构
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 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
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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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱,接近绝缘体。
空间电荷区，
也称耗尽层。
ຫໍສະໝຸດ Baidu2021/3/6
多子扩散的结果是使空间 电荷区逐渐加宽，空间电 扩散运动 荷区越宽，内电场加强。
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模 拟电子技术 漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
－－－－ － － + + + + + +
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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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模 拟电子技术
扩散到Ｐ区, 同时Ｐ区的空穴也向Ｎ区扩散。 显然, 在ＰＮ区
模 拟电子技术
四、P 型、N 型半导体的简化图示
P 型：
负离子
多数载流子 少数载流子
N 型：
正离子
多数载流子 少数载流子
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模 拟电子技术
1.1.3 PN 结及其特性
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
IR = I少子 0
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
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模 拟电子技术
2、PN结的伏安特性——PN结两端的外加电压U与 流过PN结电流I之间的关系曲线。
I IS (eU /UT 1)
反向饱 和电流
温度的 电压当量
当 T = 300K(27C)：
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模 拟电子技术
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
铟），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，产 生一个空位。这个空位可能吸
空穴
引束缚电子来填补并产生一个
+4 +4
带正电的空穴，使得硼原子获
得电子成为不能移动的带负电 的离子。由于硼原子接受电子，
此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）
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模 拟电子技术 内电场越强，就使少子漂
移运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
N型半导体 内电场E
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
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模 拟电子技术
3、PN 结的击穿特性
齐纳击穿： 高浓度掺杂的情况下，反向电场太强，将电子强
(Zener)
行拉出共价键，产生大量电子-空穴对，使反向
电流急增。(击穿电压 < 4 V)
雪崩击穿： 反向电场逐渐增加使电子加速，动能增大，撞击
使自由电子数突增，同时产生等量的空穴。这种
新产生的电子、空穴再次受到电场加速， 把更
UT = 26 mV
加正向电压时
UT
kT q
玻尔兹曼 常数
电子电量
加反向电压时 I≈–IS
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模 拟电子技术
伏安特性
I
正向特性
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
反 向
反向击穿 电压UBR
击 反向特性
穿
导通压降: 硅 管0.6~0.7V,锗 管0.2~0.3V。
U
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体的导电能力，控制掺入杂质的浓度可控制半导体的导 电性能；利用该特性可做成各种性能的半导体器件。
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模 拟电子技术 1、半导体的原子结构
硅(锗)的原子结构
简化 模型
+4表示原子 核和内层电 子所具有的
电荷量
惯性核
价电子 (束缚电子)
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模 拟电子技术 2、本征半导体的晶体结构