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Chap3 半导体二极管及其基本电路 常用的二极管 光电二极管 发光二极管 激光二极管 稳压二极管 二极管功能等 整流 限幅 开关等 Chap3 半导体二极管及其基本电路 3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路 3.5 特殊二极管 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 本征半导体及其导电性 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3～109 ??cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 在纯净的半导体材料中加入微量的杂质，其导电能力将发生显著的变化。 3.1 半导体的基本知识 3.1.3 本征半导体及其导电性 本征半导体的共价键结构 电子空穴对 空穴的移动 本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 3.1.3 本征半导体及其导电性 本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子（价电子）。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。 3.1.3 本征半导体及其导电性 电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。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，而参与导电，成为自由电子。（这一现象称为本征激发） 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。 3.1.3 本征半导体及其导电性 电子空穴对 如图因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 3.1.3 本征半导体及其导电性 空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。 P57 图3.1.4 3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 Negative型半导体（电子型半导体）：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体。 Positive型半导体（空穴型半导体）：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体。 3.1.4 杂质半导体 N型半导体（P59 图3.1.6） 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如P。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子（电子型半导体）。 3.1.4 杂质半导体 N型半导体 多数载流子：自由电子（它主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 本征激发形成） 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质（提供多余电子）。N型半导体的结构示意图如图所示： 3.1.4 杂质半导体 P型半导体（P58 图3.1.5） 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴（空穴型半导体）。 3.1.4 杂质半导体 P型半导体 多数载流子：空穴（掺杂形成） 少数载流子：自由电子（ 本征激发形成） 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质（接受电子）。P型半导体的结构如图所示。 *3.1.5半导体的载流子运动和温度特性 载流子的运动 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。 *3.1.5半导体的载流子运动和温度特性 杂质对半导体导电性的影响：掺入杂 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： 300 K室温下,本征硅电子和空穴浓度: p =1.4×1010/cm3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度： n=5×1016/cm3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 3.2 PN结 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的击穿特性 3.2.2 PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型