第二章 晶体二极管

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1、第一章 晶体二极管及应用电路 一 半导体基础知识 二 晶体二极管一、半导体的特性：一、半导体的特性：1.1.什么是导体、绝缘体、半导体：什么是导体、绝缘体、半导体：(1).(1).导体：导电性能良好的物质。导体：导电性能良好的物质。(3).(3).半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。第一节 半导体基础知识2.2.半导体的特性：半导体的特性：(1).(1).掺杂特性。掺杂特性。( (掺入杂质则导电率激增掺入杂质则导电率激增) )(2).(2).热敏特性。热敏特性。( (温增则导电率显增温增则导电率显增) )(3).(3).光敏特性。光敏特性。( (光照可增

2、加导电率光照可增加导电率、产生电动势产生电动势) )导电率为导电率为10105 5s.cms.cm-1-1量级，如：金、量级，如：金、银、铜、铝。银、铜、铝。(2).(2).绝缘体：几乎不导电的物质。绝缘体：几乎不导电的物质。导电率导电率1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量级，如：橡胶、云母、量级，如：橡胶、云母、塑料等。塑料等。导电率为导电率为1010-9-9-10-102 2 s.cms.cm-1-1量级，如：硅、锗、量级，如：硅、锗、砷化镓等。砷化镓等。二、本征半导体：( (一一) )硅和锗晶体的共价健结构硅和锗晶体的共价健结构1.1.硅和锗均为硅和

3、锗均为4 4价元素。价元素。2.2.晶体中晶格决定原子间按一晶体中晶格决定原子间按一定规律排列得紧密。（四面定规律排列得紧密。（四面体结构）体结构）3.3.外层电子成为共价键。外层电子成为共价键。本征半导体本征半导体：完全：完全纯净纯净、结构结构完整完整的半导体的半导体晶体晶体。（二）两种载流子电子和空穴T=300K T=300K 时时: : 少数价电子获得能量少数价电子获得能量, ,从价带到从价带到导带导带自由电子自由电子，( (本征激发本征激发) )自由电子自由电子导带导带禁带禁带Eg价带价带空穴空穴载流子的能带图载流子的能带图动画一 T=0KT=0K 时时: :价电子被束缚在价带内，晶体

4、价电子被束缚在价带内，晶体中无中无自由电子自由电子. .1.1.电子空穴对：电子空穴对：电子和空穴是成对产生的电子和空穴是成对产生的. .价电子价电子在原位置留下空位在原位置留下空位空穴空穴。两种载流子电子和空穴2.2.自由电子自由电子载流子：载流子： 在外电场作用下形成电子流（在在外电场作用下形成电子流（在导带内运动），导带内运动）， 方向与电场方向相反。方向与电场方向相反。外电场外电场E的方向的方向电子流电子流空穴流空穴流E载流子的能带图载流子的能带图3.3.空穴空穴载流子：载流子：在外电场作用下形成空穴流（在价在外电场作用下形成空穴流（在价带内运动），带内运动），方向与电场方向相同方向与

5、电场方向相同4.4.漂移运动：漂移运动：载流子载流子在电场作用下的定向运动。在电场作用下的定向运动。导带导带禁带禁带价带价带动画二自由电子自由电子空穴空穴（三）载流子的浓度 A A0 0与材料有关的常数。与材料有关的常数。 E EG0G0禁带宽度。禁带宽度。 TT绝对温度。绝对温度。 KK玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。 n ni i、 p pi i 与温度与温度T T和禁带宽度和禁带宽度E EGOGO有关。有关。本征半导体本征半导体中电子的浓度中电子的浓度p(p(空穴浓度空穴浓度):):表示单位体积的空穴数。表示单位体积的空穴数。 (p(pi i) )n(n(电子浓度电子浓度):):表示单位体积

6、的自由电子数。（表示单位体积的自由电子数。（n ni i）)2/(2/30kTEiiOGeTApn(1-1) (1-1) 本征半导体本征半导体中空穴的浓度中空穴的浓度当材料一定时：当材料一定时：载流子的浓度主要取决于温度；载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。温度增加使导电能力激增。温度可人为控制温度可人为控制 。kTGEieTAn2/2/300+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键(四)载流子的产生与复合空穴空穴自由电子自由电子空穴空穴A A、本征激发、本征激发 电子、空穴对的产生电子、空穴对的产生B B、电子与空穴的复合、电子与空穴的复合D D、最后达到动态的平衡、

7、最后达到动态的平衡C C、空穴是可以移动的，其、空穴是可以移动的，其实是共价键的电子依次填补实是共价键的电子依次填补空穴，形成空穴的移动空穴，形成空穴的移动(四)载流子的产生与复合 n ni i（电子浓度）：是动态平衡值。（电子浓度）：是动态平衡值。 g(g(载流子的产生率载流子的产生率):):每秒成对产生的电子空每秒成对产生的电子空穴的浓度。穴的浓度。 R(R(载流子的复合率载流子的复合率) )：每秒复合的载流子的：每秒复合的载流子的浓度。浓度。 当当g=Rg=R时时( (平衡时平衡时) )： R=rnR=rni ip pi i (1-2)(1-2) 其中其中r r是和材料有关的系数是和材料

8、有关的系数三、杂质半导体3.3.在在N N型半导体中：型半导体中： 自由电子自由电子为多数载流子为多数载流子 空穴空穴为少数载流子为少数载流子（一）（一）N N型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入五价元素磷，在四价元素中掺入五价元素磷，五价五价元素与周围四个原子形成共价元素与周围四个原子形成共价键，余下一个电子成为键，余下一个电子成为自由电子自由电子。2.2.磷原子贡献一个电子（在电场磷原子贡献一个电子（在电场作用下成为自由电子）作用下成为自由电子）施主杂质施主杂质（正离子）（正离子）杂质半导体3.3.在在P P型半导体中：型半导体中： 空穴空穴为多数载流子为多数载流子 自由电子自由电子为

9、少数载流子为少数载流子（二）（二）P P型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入三价元素硼：在四价元素中掺入三价元素硼：三价元素与周围四个原子形成共价三价元素与周围四个原子形成共价键，因缺少一个电子形成键，因缺少一个电子形成“空穴空穴。2.2.硼原子在电场作用下接受一个硼原子在电场作用下接受一个电子电子受主杂质受主杂质（负离子）（负离子） 在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。例如：例如：T=300k时，锗本征半导时，锗本征半导ni=2.51013/

10、cm3,锗原子密度为锗原子密度为4.41022/cm3,若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。 则施主杂质浓度为：则施主杂质浓度为： ND=10-44.41022=4.41018/cm3 （比（比ni大十万倍）大十万倍）（三）、杂质半导体的载流子浓度在杂质型半导体中：在杂质型半导体中：多子浓度比本征半导体的浓度大得多；多子浓度比本征半导体的浓度大得多；载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增导电能力激增 。结结 论论半导体的热敏性半导体的热敏性；半导体的半导体的光敏性特性；光敏性特性；半导体的半导体的掺杂

11、特性；掺杂特性；是可人为控制的。是可人为控制的。结论结论为什么采用半导体材料作电子器件？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？第二节第二节 PN 结与晶体二极管结与晶体二极管(1).(1).两种半导体结合后，由于浓度差产两种半导体结合后，由于浓度差产生载流子的生载流子的扩散运动扩散运动 结果产生空结果产生空间电荷区间电荷区耗尽层（多子运动）。耗尽层（多子运动）。PN载流子要从浓度大载流子要从浓度大区域向浓度小的区域区域向浓度小的区域扩散扩散,称载流子的扩散称载流子的扩散的运动的运动(2).(2).空间电荷区产生空间电荷区产生建立了内电场建立了内电场产生载流子定向运动（产生载流子定向运动（漂