半导体器件基础与二极管电路.pptx
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1、19 九月九月 2024本章内容概述本章内容概述u导体器件的出现改变了电子电路的组成格局,从导体器件的出现改变了电子电路的组成格局,从20世纪世纪60年代开始,半导体器件开始逐步取代真空管年代开始,半导体器件开始逐步取代真空管器件,在电子电路中占据绝对主导地位。器件,在电子电路中占据绝对主导地位。u本章首先介绍半导体器件的基础知识,介绍本章首先介绍半导体器件的基础知识,介绍PN结的结的单向导电原理,然后着重介绍半导体二极管器件的单向导电原理,然后着重介绍半导体二极管器件的外部特性和主要参数,为正确使用器件打下基础,外部特性和主要参数,为正确使用器件打下基础,最后介绍几种常用的二极管应用电路。最
2、后介绍几种常用的二极管应用电路。19 九月九月 2024导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体一、导体一、导体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体,金属一般都是导体。金属一般都是导体。二、绝缘体二、绝缘体 有的物质几乎不导电,称为有的物质几乎不导电,称为绝缘体绝缘体,如,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、半导体三、半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为缘体之间,称为半导体半导体,如锗、硅、砷化,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。半导体有温半导体有温敏、光敏和掺
3、杂等导电特性。敏、光敏和掺杂等导电特性。5.1 5.1 半导体二极管的工作原理与特性半导体二极管的工作原理与特性半导体的导电特性半导体半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:不同于其它物质的特点。例如:当受外界热和光的作用时,它的导当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于此类。此类。往纯净的半导体中掺入某些杂质,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。二极管、三极会使它的导电能力明显改变。二极管、三极管属于此类。管属于此类。本征半导体本征半导体化学
4、成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半导体制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称,常称为为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技电子技术中用的最多的是术中用的最多的是硅硅和和锗锗。它们的最外层电子(价电。它们的最外层电子(价电子)都是四个。子)都是四个。一、本征半导体1、本征半导体结构、本征半导体结构图图5.1 Ge和和Si原子的模型原子的模型 GeSi通过一定的工艺过程,可以将半导体制成通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体晶体。外层电子受原子核的束缚力最小,成为价电子。物质的性质是由价
5、电子决定的。纯纯净净的的晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为为本本征征半半导导体体。Ge或或Si原原子子生生成成晶晶体体时时,其其原原子子排排列列就就由由杂杂乱乱无无章章的的状状态态变变成成了了非非常常整整齐齐的的状状态态,原原子子间间的的距距离离都都是是相相等等的的。研研究究一一块块纯纯净净的的Ge或或Si晶晶体体时时,可可发发现现每每个个原原子子有有4个个相相邻邻的的原原子子围围绕绕着着,每每两两个个相相邻邻原原子子间间共共有有一一对对电电子子(称称为为价价电电子子),组组成成共共价价键键结结构构,共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有,并并为为它它们们所所束束
6、缚缚,在在空空间间形形成成排排列列有有序序的的晶晶体体。如如图图5.2所所示示。其本征半导体晶体结构如图其本征半导体晶体结构如图5.3所示。所示。图图5.2 Ge或或Si晶体的共价键结构晶体的共价键结构 共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子+4+4+4+4图5.3 本征半导体晶体结构示意图共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以,因此本征半导体中的自由电子很少,所
7、以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后,每个原子的最外层电子是形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,使原子规共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。则排列,形成晶体。+4+4+4+42 2、本征激发、本征激发在绝对在绝对0度度(T=0K)和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可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(即以运动的带电粒子(即载流子载流子),它的导电能力),它的导电能力为为 0,相当于绝缘体。,相当于绝缘体。当温度升高或受到光的
8、照射时,价电子能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,成为参与导电,成为自由电子自由电子,同时共价键上留下一,同时共价键上留下一个空位,称为个空位,称为空穴空穴。1 1).载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发,也称也称热激发热激发。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子空穴显示出的功效类似空穴显示出的功效类似正正电荷电荷(严格地说,空穴不是严格地说,空穴不是正电荷正电荷),所以,空穴也是一种载流子。,所以,空穴也是一种载流子。2 2).
9、本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下,空在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填穴吸引附近的电子来填补(但是,当一个自由补(但是,当一个自由电子进入空穴时,空穴电子进入空穴时,空穴就会消失,这称为复合)就会消失,这称为复合),这样的结果相当于空,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动移相当于正电荷的移动电流电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度
10、是影响半导体性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,这是半导体的一能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成: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。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体中,产生电流的根本原因是由于共价键中本征半导体中,产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限,所以其电阻率很大。出现了空穴。由于空穴数量有限,所以其电阻率很大。二、杂质半导体在本征半导体中掺入
11、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。P 型半导体:型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。称为(空穴半导体)。N 型半导体:型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。也称为(电子半导体)。掺掺杂杂的的半半导导体体称称为为杂杂质质半半导导体体。掺掺杂杂的的方方法法是是将将少少量量的的杂杂质质元元素素加加入入到到加加热热了了的的Ge或或Si晶晶体体中中。如如果果在在Si晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的五五价价杂杂质质元元素素,例
12、例如如磷磷(P)元元素素,则则P原原子子将将全全部部扩扩散散到到加加热热了了的的Si晶晶体体中中。因因为为P原原子子比比Si原原子子数数目目少少得得多多,所所以以当当冷冷却却后后形形成成固固态态晶晶体体时时,整整个个晶晶体体结结构构不不变变,只只是是某某些些位位置置上上的的Si原原子子被被P原原子子代代替替了了。因因为为每每个个P原原子子有有5个个外外层层子子,所所以以组组成成共共价价键键后后就就自自然然而而然然地地多多出出一一个个电电子子,此此电电子子受受原原子子核核的的束束缚缚力力很很小小,很很容容易易成成为为自自由由电电子。子。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
13、成在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,可形成 N型型半导体半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电四个价电子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一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自自由由电子是多数载流子电子是多数载流子,它它主要由主要由杂质原子提供杂质原子提供;另外,硅晶体另外,硅晶体由于热激由于热激发发会产生少量的电子空会产生少量的电子空穴对,所以穴对,所以空穴是少数空穴是少数载流子。载
14、流子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为单位正电荷而成为正离子正离子,因此五价杂质原子也称为,因此五价杂质原子也称为施主原子施主原子。N型半导体的结构示意图如下图所示。型半导体的结构示意图如下图所示。磷原子核自由电子+4+4+5+4N N 型半导体中的载流子是什么?型半导体中的载流子是什么?1.1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。2.P 2
15、.P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原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,半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为原子接受电子,所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P型半导体中:型半导体中
16、:空穴是多数载流子空穴是多数载流子,主要由掺杂形成;主要由掺杂形成;电子是少数载流子,电子是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。杂质半导体的示意表示法:杂质半导体的示意表示法:P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但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由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。3.杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大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的影响,一些典型的数据如下:
17、T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。小小 结结 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下,本征半导体因本征激发而产、在一定温度下,本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对,故其有一定的导电能力。生自由电子和空穴对,故其有一定的导电能力。3、本征
18、半导体的导电能力主要由温度决定;杂、本征半导体的导电能力主要由温度决定;杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子,自由电子是少子。型半导体中空穴是多子,自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子,空穴是少子。型半导体中自由电子是多子,空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。和材料性质有关。19 九月九月 2024u载流子的运动载流子的运动载流子在电场作用下的漂移运动载流子在电场作用下的漂移运动没有电场作用时没有电场作用时,半导体内部的自由电子和空穴的
19、运动半导体内部的自由电子和空穴的运动是杂乱无章的热骚动,其运动方向不断改变,因此从是杂乱无章的热骚动,其运动方向不断改变,因此从平均的意义上来说不会产生电流。平均的意义上来说不会产生电流。当有外电场作用时,自由电子在热运动的同时还要叠当有外电场作用时,自由电子在热运动的同时还要叠加上逆电场方向的运动,空穴则叠加上顺电场方向的加上逆电场方向的运动,空穴则叠加上顺电场方向的运动。运动。在在电电场场作作用用下下载载流流子子的的运运动动称称为为漂漂移移运运动动。由由漂漂移移运运动动产产生生的的电电流为流为漂移电流漂移电流。电场电场 E+-eq19 九月九月 2024u载流子的运动载流子的运动(续续)载
20、流子的扩散运动载流子的扩散运动如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异,那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边差异,那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散。扩散。由由于于浓浓度度差差引引起起的的载载流流子子运运动动为为扩扩散散运运动动。相相应应产产生生的的电流为电流为扩散电流扩散电流。1.PN1.PN结的形成结的形成 物物质质从从浓浓度度大大的的地地方方向向浓浓度度小小的的地地方方运运动动叫叫扩扩散散。当当P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合在在一一起起时时,因因为为空空穴穴在在P区区中中是是多多子子,在在N区区中中是
21、是少少子子;同同样样,电电子子在在N区区中中是是多多子子,在在P区区中中是是少少子子,所所以以在在P、N两两区区交交界界处处,由由于于载载流流子子浓浓度度的的差差异异,要要发发生生电电子子和和空空穴穴的的扩扩散散运运动动,多多子子都都要要向向对对方方区区域域移移动动。当当电电子子和和空空穴穴相相遇遇时时会会复复合合消消失失。假假设设扩扩散散运运动动的的方方向向由由正正指指向向负负(P区区指指向向N区区),则则空空穴穴将将顺顺扩扩散散运运动动方方向向移移动动,电电子子将逆扩散运动方向移动。将逆扩散运动方向移动。5.1.1 PN结及其单向导电特性P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运
22、动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。荷区越宽。空间电荷区,空间电荷区,也称耗尽层。也称耗尽层。扩散到对方的载流子在扩散到对方的载流子在P区和区和N区的交区的交界处附近被相互中和掉,使界处附近被相互中和掉,使P区一侧因区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,失去空穴而留下不能移动的负离子,N区一侧因失去电子而留下不能移动的区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的渐形成由正、负离子组成的空间电荷空间电荷区(耗尽层)区(耗尽层)。由于。
23、由于P区一侧带负电,区一侧带负电,N区一侧带正电,所以出现了方向由区一侧带正电,所以出现了方向由N区指向区指向P区的区的内电场内电场内电场越强,就使漂移内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。当扩散和漂移运动达到平衡后,空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时,有多少个多子扩散到对方,就有多少个少子从对方飘移过来,二者产生的电流大小相等,方向相反。因此,在相对平衡时,流过PN结的电流为0。内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区 扩扩散散的的结结果果在在两两区区交交界界处处的的P区区一一侧侧,出出现现了了一一层层带带负负电电荷荷的的粒粒子子
24、区区(即即不不能能移移动动的的负负离离子子);在在N区区一一侧侧,出出现现了了一一层层带带正正电电荷荷的的粒粒子子区区(即即不不能能移移动动的的正正离离子子),形形成成了了一一个个很很薄薄的的空空间间电电荷荷区区,这这就就是是PN结结,如如图。图。浓度差浓度差 多子扩散多子扩散 空间电荷区空间电荷区 (杂质离子杂质离子)内电场内电场 促少子促少子 阻多子阻多子 漂移漂移 扩散扩散 动态平衡时动态平衡时PN结形成过程:1).1).空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2).2).空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴.N区区 中的电子(中的电子(都是多子都是
25、多子)向对方运动()向对方运动(扩散扩散运动运动)。)。3).3).P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴(区中的空穴(都是少都是少子子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。,数量有限,因此由它们形成的电流很小。注意注意:2.PN2.PN结的单向导电特性结的单向导电特性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是:P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是:的意思都是:P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。一、一、PN 结正向偏置结正向偏置+RUf内电内电场场外电外电场场变薄变薄PN
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