第1章 半导体二极管及应用电路 (2)

第一类、物质的电阻率小于10-3Ω·cm，具有良好的导电性， 如铜、铝、铁、银等，称为导体 。 第二类、物质的电阻率很大，一般在109Ω·cm以上，是不能 够导电的材料，如橡胶、塑料等，称为绝缘体。 第三类、物质的电阻率介于导体与绝缘体之间，通常在103～109Ω·cm范围内，例如硅、锗、砷化镓、锌化铟等 ，也 称为半导体。
N型半导体：在4价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂 质元素，如磷、锑、砷等。如图1.4 P型半导体：在4价硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂 质元素，如硼、镓、铟等。如图1.5
上一页 下一页
1.1.2 杂质半导体
+4 +4 +4
+4 +5
施主 原子
+4 +4 +4
+4
+4 +4
+4
+3
受主 原子
+4 +4 +4
1.1.1 本征半导体
纯净的不含其他杂质的半导体称为本征半导体。 在T=0K和没有外界激发时，由于共价键中的价电 子被束缚着，所以在本征半导体中，没有可以自由运 动的带电粒子—载流子，这时它相当于绝缘体。 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共价键的束缚，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。 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。如图1.3所示：
2．当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增 加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下 降，这种特性称为“热敏”特性。
3．当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样， 导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体 一样不导电，这种特性称为“光敏”特性。
上一页 下一页
②光照→ (或)↑→导电能力 ↑，由此特性可制作出半导体 的各类光电器件。
上一页 下一页
1.1.2 杂质半导体
本征半导体中虽然存在两种载流子，但是因为本征 载流子的浓度很低，所以导电能力很差。如果在本征半 导体中掺入某种特定的物质，成为杂质半导体后，半导 体的导电性能将发生质的变化。
根据掺杂的杂质不同可分为{ N型半导体 P型半导体
上一页 下一页
1.1.1 本征半导体
+4
+4
+4
+4 空穴 +4
+4 自由 电子 +4
+4
+4
图1.3 本征激发中的自由电子和空穴对
上一页 下一页
1.1.1 本征半导体
载流子是物体内运载电荷的粒子，决定于物体的导电能力。
在常温下本征半导体有两种载流子分别为{ 空穴 自由电子
自由电子与空穴具有相同的电量，而自由电子带单位的负 电荷，空穴的电荷符号则与自由电子的方向相反，并且空 穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子。 本征激发的重要特征是自由电子和空穴两种载流子总是成 对产生。当自由电子-空穴产生的同时还出现另一个现象： 自由电子和空穴在运动过程中的随机相遇，使自由电子释 放原来获取的激发能量，从导带跌入价带，填充共价键中 的空穴，电子—空穴对消失，这种现象称为复合。
上一页 下一页
1.1 半导体的特性
半导体与导体和绝缘体的差别不仅在于它的电阻率介于导 体和绝缘体之间，而是因为它具有不同于导体和绝缘体的独特 性质。这些独特的性质集中体现在它的电阻率可以因某些外界 因素的改变而明显地变化，具体表现在以下3个特性：
1．在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质， 半导体的导电性能就会成百万倍的增加，这是半导体最显著、 最突出的特性。
上一页 下一页
1.1.1 本征半导体
在室温T=300 K时，由式（1．1．1）可推算出： Si ： ni=pi≈1.5×1010/cm3， Ge ： ni=pi≈2.4×1013/cm 。 式（1．1．1）表明：
①T↑→ (或 )↑→半导体导电能力↑，由此特性可制作半导 体热敏元器件；但 (或 ) 随T的变化会影响半导体器件的稳定 性，因而在电子电路的设计和集成电路的制造工艺中经常要 采用很多措施来克服或减少这种热敏效应。
上一页 下一页
1.1.1 本征半导体
本征激发wenku.baidu.com复合是本征半导体中电子—空穴对的两 种矛盾运动形式。 在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的。
若设为本征半导体热平衡状态时的电子浓度，为空穴浓 度，本征载流子的浓度可用下式表示：
ni (T ) pi (T ) AT 3/ 2 EXP(EG / 2kT )
1.1 半导体的特性
半导体为什么会具有上述特性呢？主要是由其内部原 子结构决定的 。
以硅和锗为例，其原子结构模型如图1.1所示 ：
+14
+32
(a) S i
(b) G e
图1.1 Si、Ge的原子结构模型
硅和锗的外层电子都是4个，所以硅和锗都是四价元 素。 外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。物质的化学 性质是由最外层的价电子数决定的，半导体的导电性质也与 上一页 下一页 价电子有关。
教学目标
• 了解半导体器件基础知识， • 掌握PN结的特性， • 掌握半导体二极管的结构、特性和主要 参数， • 理解半导体二极管电路的分析方法和主 要应用。
1.1 半导体的特性
由于半导体具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功 率小和转换功率高等特点，故而得到广泛应用。
我们知道自然界中的物质可分为 三类：
自由 电子
空穴
+4
+4
图1.4 N型半导体示意图
图1.5 P型半导体示意图
上一页 下一页
1.2
PN结的特性及应用
1.2.1 PN结的形成 1.2.2 PN结的单向导电特性 1.2.3 PN结的反向击穿特性 1.2.4 PN结的电容特性及应用
上一页 下一页
1.2.1 PN结的形成
如果将一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另 一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个 PN结。 在P型和N型半导体的交界面两侧，由于电子和空穴 的浓度相差悬殊，所以N区中的多数载流子电子要向P区 扩散；同时，P区中的多数载流子空穴也要向N区扩散， 如图1.6所示。 当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失。于是，在 交界面两侧形成一个由不能移动的正、负离子组成的空 间电荷区，也就是PN结，如图1.7所示。
（1.1.1）
其中：A为常数，与半导体材料有关， Si 的A=3.88×1016(cm-3K-2/3)， Ge的 A=1.76×1016(cm-3K -2/3)； 表明挣脱共价键所需要的能量,单位为eV（电子伏）， Ge的=0.68eV,硅的=1.1eV； T为温度（K）； k为玻耳兹曼常数 ， k=1.38×10-23(JK-1)； EXP是自然对数的底。