第2讲 半导体基础知识-二极管讲解

概 述
结论：
PN结具有单向导电性 PN结加正向电压时， 形成较大正向电流ID， 呈现电阻小，导通； PN结加反向电压时， 形成的反向电流IS极
小，呈现电阻很大，
PN结伏安特性曲线 不导通（截止）；
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4. 温度特性
当温度升高时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加， 从而导致PN结的反向饱和电流IS增大。 实验结果表明： 温度每升高10℃，IS约增加一倍； VD(on)随温度升高而略有下降（温度每升高1℃，VD(on) 约减小2.5mV）。
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1.2 PN百度文库结
通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导 体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成 一个很薄的特殊物理层，称为PN结。
1. 动态平衡下的PN结
P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区 一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在 空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并 在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在 P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的 受主负离子和施主正离子。
在本征Si和Ge中掺入微量 三价元素后形成的杂质半 导体称为P型半导体。 所掺入三价元素称为受主 杂质，简称受主（能供给 空穴）
3. 多子和少子
N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。 P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。
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1.1.2 两种导电机理——漂移和扩散
1. 漂移电流
在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成 的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。
变薄 －
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+
+ + +
+
－
内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
P
－
N
－
外电场
内电场
R
E
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• 反向特性
P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。 内电场被加强，多 子的扩散受抑制。 少子漂移加强，但 少子数量有限，只 能形成较小的反向 + 电流。
变厚
－
_
P
+
+
－
－
－
1.1.1 本征半导体
用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层 电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
价电子
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硅和锗都是晶体，相邻原子由价电子组成的共价键 联系在一起 共价键共 用电子对 +4表示除 去价电子 后的原子 +4 +4
+4
+4
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体
本征半导体的导电机理
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。
热平衡载流子浓度值：
Eg 0 32
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
ni K1T
e 2 kT
+
+ 内电场 外电场
N
R
E
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反向电流几乎全部由少子的漂移作用形成，其值 几乎与外加反向电压大小无关，故反向电流又称为 反向饱和电流，用 I S 表示。 硅PN结的 锗PN结的
IS IS
约为
约为
(109 ~ 1016 )
A A
(106 ~ 108 )
I S 随温度的升高而增大，还与PN结面积
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第一章
半导体基础知识 晶体二极管
概 述
1.1 半导体物理基础知识
按导电性能的不同，物质可分为导体、 绝缘体和半导体。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂 质而发生显著变化。 目前用来制造电子器件的材料主要是 硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。
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成正比的增大。
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3. 伏安特性
I I S (e 1) V 为正值，且 V VT （或 V 100 mV ）时
V VT
I ISe
V VT
V 为负值，且 V VT 时
I I S
导通电压：
即为反向饱和电流 硅PN结 VD(on) 0.7V
锗PN结 VD(on ) 0.25V PN结伏安特性曲线
I In I p
I n 为电子电流
I p 为空穴电流
漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度 及外加电场的强度等因素决定。
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2. 扩散电流
在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀 时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散 运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的 浓度差(即浓度梯度)。浓 度差越大，扩散电流越大， 而与该处的浓度值无关。
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空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
本征激发
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2.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 自由电子和空穴 在其它力的作用下，空
+4
+4
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。
+4
+4
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导体的一大特点。
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1.1.2 杂质半导体
杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质” 元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。
1. N型半导体
在本征Si和Ge中掺入微量 五价元素后形成的杂质半 导体称为N型半导体。 所掺入五价元素称为施主 杂质，简称施主（能供给 自由电子）。
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2. P型半导体
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空 间 电 荷 区 的 形 成 内建电场： 空间电荷区的左侧带负电，右侧带正电，这样在空间电荷 区内就形成一个电场，阻止多子的扩散，促进少子的漂移， 最终达到动态平衡。
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2. PN结的单向特性
• 正向特性 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压 或正向偏置（简称正偏）。
PN 结正向偏置
1.载流子、自由电子和空穴
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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。
当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地 位，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。
因此，PN结正常工作的最高温度：
Si：150～200℃、Ge：75～100℃
概 述 图 示