关于半导体二极管及直流稳压电源课件

共价键
Si Si Si Si
在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原 子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子， 来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带 正电的空穴在运动。
注意
不论 N型半导体还是P型半导体， 虽然它们都有一种载流子占多数，但 整个晶体结构都是不带电的。
§1.2 PN结
P型半导体或N型半导体的导电能力虽 然比本征半导体的导电能力大大增强，但 并不能直接用来制造半导体器件。通常是 在一块晶片上，采取一定的掺杂工艺措施， 在晶片两边分别形成P型半导体和N型半导 体，那么它们的交接面就形成了PN结。PN 结才是构成各种半导体器件的基础。
关于半导体二极管 及直流稳压电源
§1.1 半导体的导电特性
半导体——它的导电能力介于导体和绝缘体之间。如 硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等都是半导体。
半导体的导电特性主要表现在其导电能力在不同条件 下具有很大的差别：
（1）有的半导体对温度的反映特别灵敏。环境温度增高时，其导电能力要 增强很多。
共价键
Si Si Si Si
在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原 子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子， 来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带 正电的空穴在运动。
1 PN结的形成
P型半导体
N型半导体
－－－－－－ －－－－－－ －－－－－－
++++++ ++++++ ++++++
－－－－－－ + + + + + +
假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子 （B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（ P离子）带正电。
2.2 P型半导体
空
穴
Si Si
B
填
补
B- Si
空
穴
空穴半导体（ P型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入硼（或其它三价元素）。硼原子的最外层 有三个价电子，是三价元素。由于掺入硅或锗晶体中的硼原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整 个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被硼原子所取代。硼原子在参加共价键结构时，将 因缺少一个价电子而形成一个空穴。于是这种半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导 体的主要导电方式。在这种半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。
Si
Ge
共价键
Si源自文库Si Si Si
在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子相结合。结合方法是，每一个原子 的一个价电子与相邻的另外一个原子的一个价电子组成一个电子对，称为共价键。由于共价键的形 成，每一个原子的最外层实际上相当于有8个价电子，在通常情况下，这8个价电子处于相对稳定的 状态，但在获得一定能量后（温度升高或受光照）即可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。
共价键
Si Si Si Si
在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原 子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子， 来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带 正电的空穴在运动。
共价键
Si Si Si Si
在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原 子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子， 来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带 正电的空穴在运动。
（2）当半导体两端加上电压后，半导体中将出现两 部分电流。一部分是自由电子作定向运动所形成的电子电 流，另一部分是价电子或自由电子填补空穴所形成的空穴 电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这 是半导体的最大特点，也是半导体和导体导电的本质区别。
2 N型半导体和P型半导体
本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子，但 由于数量极少，所以导电能力很低。如果在本征半导体中 掺入微量的某种杂质（某种元素），将使掺杂后的半导体 （杂质半导体）的导电能力大大增强。由于掺入的杂质不 同，杂质半导体可分为两类。
由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N 区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首 先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附 近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。
杂质半导体
电子半导体（N型半导体） 空穴半导体（P型半导体）
2.1 N型半导体
多
余
P
电
子
Si Si P+ Si
电子半导体（N型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入磷（或其它五价元素）。磷原子的最外层有 五个价电子，是五价元素。由于掺入硅或锗晶体中的磷原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个 晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被磷原子所取代。磷原子参加共价键结构只需要四个 价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是这种半导体中自由电 子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，自由电子是多 数载流子，而空穴是少数载流子。
结论
（1）半导体中存在自由电子和空穴两种载流子。本 征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不 断复合。在一定条件下（温度下）载流子的产生和复合达 到动态平衡，于是载流子便维持一定数目。温度越高或受 光照越强，载流子数目越多，半导体的导电性能也就越好， 所以温度或光照对半导体的导电性能影响很大。
（2）有的半导体对光照的反映特别灵敏，当受到光照时，其导电能力要增 强很多；当不受到光照时，又变得象绝缘体那样不导电。
（3）如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质，其导电能力要增强很多。
半导体的导电特性，在不同条件下具有很大的差别， 是由其内部结构的特殊性所决定的。
1 本征半导体
目前最常用的半导体材料是硅和锗，它们的原子最外 层都有四个价电子，都是四价元素。将硅和锗提纯（取掉 无用杂质）并形成单晶体，即本征半导体。