半导体二极管及其应用优秀课件

硅（Si）和锗（Ge）是两种常用的半导体材料 特点：四价元素，每个原子最外层有四个价电子
Ge
Si
2、本征半导体：化学成分纯净的半导体，其 纯度达到99.9999999%，通常称为“9个9”， 在物理结构上呈单晶体形态。
硅和锗的晶 体结构：
硅和锗的共价键结构
+4表示 除去价电 子后的原
子
+4
+4
小结
半导体中有两种载流子，分别是自由电子和空穴。 纯净半导体中的载流子主要取决于温度（或光
照）。 掺杂半导体中的载流子可以分为多子（多数载流
子）和少子（少数载流子）。多子取决于掺杂浓 度，少子取决于温度（或光照）。P型半导体中 的多子是空穴，少子是自由电子，N型半导体中 的多子是自由电子，少子是空穴。
(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可 形成 N型半导体,也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个 半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价 电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合。
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是 同时成对出现的，称为电子空穴对。
当温度一定时，激发和复合达到动态平衡， 即“空穴-电子对”浓度一定。
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。
+4
+4
共价键共 用电子对
这种结构如何体现半导体的特性呢？导电机制是什么？
3、载流子：可以自由移动的带电离子。
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自 由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子 能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚， 而参与导电，成为自由电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
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
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
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。
1.1.2 PN 的单向导电性
1、PN结的形成
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。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
少子漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
(2) P型半导体
本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、
铟等形成 P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价 杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子
而在共价键中留下一个空穴。
空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
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。
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
多子扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
在一块本征半导体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:
பைடு நூலகம்
PN结形成的物理过程：
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。
4、杂质半导体
(1) N型半导体 (2) P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂 质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入 的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的 本征半导体称为杂质半导体。
半导体二极管及其应用优秀 课件
1 半导体二极管及其应用
了解半导体基础知识； 理解PN结的结构与形成； 掌握PN结的单向导电性； 熟悉二极管和稳压管的V-I特性曲线及其主
要参数等。 了解特种二极管
1.1 PN结
1.1.1 PN结的形成
1、半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。 电阻率为 10 3~10 9 cm
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而 带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为 施主杂质。 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）。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子 束缚电子
自由电子是载流子。 空穴也是一种载流子（Why？）。
+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。
因浓度差
宽
多子的扩散运动 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
扩散 > 漂移
是
否
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
最后多子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P N 结 , 在空间电荷区，由于缺少 多子，所以也称耗尽层。