模拟电子电路基础 第3章.pdf

第 3 章 晶体二极管及其基本应用 晶体二极管（Crystal Diode ），简称二极管（Diode ），是固态电子器件中的半导体两端器件。 随着半导体材料和工艺技术的发展，利用不同的半导体材料、掺杂分布、几何结构可研制出结构种类 繁多、功能用途各异的多种晶体二极管。制造材料有锗、硅及化合物半导体。 晶体二极管的主要特性是单向导电性，即只往一个方向传送电流，它具有非线性的电流-电压特 性，分析的时候需要根据工作条件，为其建立线性模型以帮助进行电路分析。 3.1 半导体基础知识 物质存在的形式多种多样，根据导电能力的不同可以分为导体、半导体和绝缘体。与导体和绝 缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20 世纪 30 年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体 的存在才真正被学术界认可。半导体是电阻率介于金属和绝缘体之间，并具有负电阻温度系数的物 −5 7 质，室温时电阻率约在 10 ～10 Ω·m之间，温度升高时电阻率指数则减小。 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用于制造 电子器件的元素半导体，化合物半导体包括Ⅲ- Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫 化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成 的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 3.1.1 本征半导体 本征半导体是指纯净、无杂质且无晶格缺陷的半导体。在早期电子器件中，用得最多的材料是硅 （Si）和锗（Ge），它们均为四价元素，其原子结构简化模型如图3.1 所示。最外层原子轨道上具有的4 个电子，称为价电子。由于原子呈电中性，故中间层的电子和原子核一起用+4 的正离子表示。 当今集成电路技术几乎完全是基于硅材料的，因此，我们主要讨论硅器件。 在无外界干扰且温度为零开尔文的条件下，本征半导体内部的原子是固定在晶格中不会移动 的，且最外层的每个价电子都会与其他原子的价电子两两构成一个共价键，因此整个晶体内部没有能 够自由移动的粒子，也就不具有导电性，如图 3.2 所示。然而，在室温条件下，共价键会遭受热激 发，价电子能够得到足够多的能量，挣脱共价键的束缚，在晶体内部形成自由移动的载流子——自由 电子，每个自由电子携带一个单位的负电荷，这种现象叫做本征激发。 图3.1 原子结构简化模型 图3.2 硅和锗的二维晶格结构图 第3 章 晶体二极管及其基本应用 · 21 · 自由电子离开后，在原来的共价键中留下一个空位，叫做空穴。在外电场或其他能源的作用 下，邻近共价键的价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后 其他电子又可转移到这个新的空位上，这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。另外，自由电子离开 后，原来的原子就变成带有一个单位正电荷的正离子，随着空位的填补和转移，在晶格内会出现负电 荷和正电荷的移动现象，因此我们将空穴也视为一种带一个单位正电荷的载流子。空穴的出现是半导 体与导体的重要区别。也就是说，本征激发会产生自由电子-空穴对，如图 3.3 所示，而当电子落入空 穴填补共价键时，自由电子-空穴对便消失了，这种现象叫做本征复合。 图3.3 共价键断开后形成自由电子-空穴对 本征半导体中出现了可以自由移动的带电粒子，也就具备了导电能力，而这种能力的强弱显然 也与带电粒子的数目有关。本征激发越强，那么本征半导体内的带电粒子也就越多，半导体的导电能 力也就越强。我们用本征浓度ni来衡量本征激发的强度，即单位体积内载流子的数目，如式（3.1 ）所 示，其中B是与材料相关的参数，EG为能带隙能量的参数，k是玻尔兹曼常数，T为热力学温度。 2 3 −E / kT n BT e G （3.1