第2章半导体二极管及其及其基本电路讲述.ppt

第 2 章 2　半导体二极管及其基本电路 2.1　半导体的基本知识 引　　言 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。 集成电路特别是大规模和超大规模集成电路不断更新换代，致使电子设备在微型化、可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步，因而电子技术成为当代高新技术的龙头。 本章首先简要地介绍半导体的基本知识，接着讨论半导体器件的核心环节——PN结，并重点地讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上，对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了简要的介绍。 　2.1.1　半导体材料 半导体： 导电性能介于导体(电阻率ρ10-6Ω·m)和绝缘体(电阻率ρ108Ω·m)之间的物质，称为半导体。 1. 元素半导体：硅(Si)，锗(Ge)等。 2. 化合物半导体：砷化镓(GaAs) 3.其它：硼(B),磷(P),铟(In)和锑(Sb)等。 目前最常用的半导体材料是：硅和锗 　2.1.2　半导体的共价键结构 硅(原子序数是14)和锗(原子序数是32)是最常用的半导体材料，它们都是四价元素，其最外层原子轨道上具有四个价电子，可用其简化模型来描述(如P27图2.1.1所示)。 　　 原子呈电中性。其二维晶格结构图。如(P27)图2.1.2所示。 　2.1.3　本征半导体、空穴及其导电作用 1.　本征半导体 本征半导体是指一种非常纯净的、结构完整的半导体晶体。 纯净的半导体其导电性是很差的。 本征半导体的导电性能受外界条件(温度、掺杂等)的影响，会发生很大的变化。 　2.　本征激发 在室温下，某些价电子会从外界获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子(如图2.1.3所示)，这种现象称为本征激发。 　3.　空穴－电子对 当束缚电子挣脱共价键的束缚成为自由电子之后，就在原来的地方留下了一个空位，这个空位叫做空穴，这个空穴和自由电子是同时产生的，称之为“空穴－电子对”。电子带负电，空穴带正电，二者带电量大小相等(q =1.602×10-19C )。 　4.　空穴与自由电子的导电机理 自由电子导电：在电场作用下的定向运动。 空穴导电：电子的接力运动。如图2.1.4所示。 2.1.4　杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中掺入微量杂质而获得的半导体，称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同可分为空穴(P)型半导体和电子(N)型半导体。 　1.　P型半导体 在本征半导体硅(或锗)中掺入少量的三价元素(如硼或铟)而获得的杂质半导体，称为空穴型半导体，简称为P型半导体。如图2.1.5所示。 其中，每一个三价元素提供一个空穴，当它从外界获得一个电子后及带负电，成为不能移动的负离子，而丢失电子的半导体元素带正电，半导体此时仍呈电中性。 由于三价元素在半导体晶体中能接收电子，故称之为受主杂质。 P型半导体中空穴数目远远大于自由电子数目，所以，空穴称为多数载流子，简称多子；自由电子称为少数载流子，简称少子。 　2.　N型半导体 在本征半导体硅(或锗)中掺入少量的五价元素(如磷、砷或锑)而获得的杂质半导体，称为电子型半导体，简称为N型半导体。如图2.1.6所示。 其中，每一个五价元素提供一个自由电子，当丢失一个电子后及带正电，成为不能移动的正离子，电子带负电，半导体此时仍呈电中性。 由于五价元素在半导体晶体中能提供电子，故称之为施主杂质。 N型半导体中自由电子数目远远大于空穴数目，所以，自由电子称为多子，空穴称为少子。 2．2　PN结的形成及其特性 1.　PN结的形成 如果在一块本征半导体的两边，掺入不同的杂质，使一边成为P型半导体，另一边成为N型半导体，则在两种不同类型半导体的交接面处就会形成一个特殊的电荷区，这个电荷区称之为PN结(PNJ)。PNJ是构成半导体器件的基础。 　(1).　多子的扩散(观看课件) 由于P、N两区多数载流子的浓度不同而向对方区域扩散，且很快被对方区域的多子复合而消失，其结果，在交界面两侧出现了不能移动的带电离子组成的区域---空间电荷区(如图2.2.1所示)，空间电荷区又称为耗尽层(无载流子区)。 　(2).　少子的漂移运动 由于空间电荷区的形成，在交界面附近形成了一个内建电场ε０，其方向为“N→ P”，内建电场的出现将阻止多子的扩散，所以空间电荷区又称为阻挡层。 由于内建电场ε０的出现，少子将在内建电场的作用下发生漂移运动。 　多子的扩散与少子的漂移运动是一对矛盾。 　(3).　动态平衡 扩散运动与漂移运动不断的进行着，当二者运动强度相等时，PNJ便达到了动态平衡。 　(4).　PNJ的电位分布 如图2.2.2所示，由(a)图及(b)图可以看出，N