南通大学模电课件第三章.ppt

第3章 二极管及其基本电路 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 自然界的许多物质可分为： 导体：铜、铝、银 绝缘体：橡胶、陶瓷、塑料、石英 半导体：硅、锗（元素半导体）、砷化镓（化合物半导体） 常用的半导体为硅Si 和锗Ge 说明：半导体受光、热刺激, 或微量掺杂→导电能力显著增强，易控制，应用广；这是其在电子领域中广泛应用的关键. 3.1.2 半导体的共价键结构 以硅为例 ? 原子核为（14），14个电子（分能级），能量大的，离核远。 ? 吸收或释放能量将使电子的能级变化，最外层的4个，能量大，束缚力小，最易变化。 ? 原子结构简化模型（硅、锗）： 外层有4个电子 ? 半导体材料：与许多金属和绝缘体一样，具有晶体结构。 硅、锗，原子核外层有4个电子，原子按晶格排列。相邻原子间为“共价键”结构。 外层电子称为价电子。 简化模型（硅、锗）  共价键：是表示两个共有价电子所形成的束缚作用。每一个硅（锗）原子都与周围四个原子构成“共价键”，即每个外层电子为两个原子所共有，互相吸引，很牢固。 每个电子均为两个原子所共有，被共价键所束缚。 吸收能量，挣脱共价键的束缚。其受束缚适中故称为半导体。电子带负电 。 空穴：形象比喻，电子离开后，原位即为空穴。空穴带正电。 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 空穴及其导电作用： 在外部激发下，少数共价键中的电子成为自由电子（称载流子） ——键内出现空穴（即出现正离子）。 说明：导体中没有空穴，这是半导体区别于导体的重要特征。 本征半导体： 完全纯净、结构完整的晶体——纯净半导体。 本征激发： 被束缚的价电子受到激发而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。 空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，即电流 空穴带正电，具有吸引电子的能力。当电子来填补时产生电荷迁移，即电流。 由此可见： (1)空穴与自由电子的运动方向相反，在外电场作用下都参与导电。 (2)半导体中的载流子数目越多，形成的电流也越大。 (3)T=0K时，没有热激发，电子不能传导电流，但又不同于绝缘休。 热激发 自由电子 空穴载流子 电子载流子 注： ①两种载流子的运动（带正电荷的空穴和带负电荷的电子）。 ②这种复合运动是不停的，在无外加定向电压时，是杂乱无章的。 本征激发——常温下的热激发，在本征半导体中称为本征激发。本征激发的自由电子和空穴总是成对出现的，即电子空穴对。（自由电子数=空穴数） 载流子的浓度随温度的增加而显著增加?导电能力增加。 半导体的导电性能对温度很敏感，这是半导体的重要特性。 3.1.4杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。 根据掺杂性质不同，可分为和空穴半导体（P型） 电子半导体（N型）。 1）P型半导体 掺入多出空穴元素的半导体；导电以空穴为主。 掺入少量3价元素——硼。 硼原子外层有3个电子，与硅组成共价键后，因缺1个电子而形成空穴。 硼原子在硅晶体中能接受电子，称硼为“受主杂质”，或P型杂质。除硼外，镓、铝、铅、铟外层也是3个电子。 在P型半导体中，多子——空穴；少子——自由电子。 ? 2）N型半导体 掺入多出价电子元素的半导体；导电以电子为主。 在硅（或锗）晶体中掺入5价的磷（或锑），外层5个电子中的4个与硅组成共价键，多余1个电子?自由电子（仅须很小的能量）。虽掺杂很微但载流子的浓度要远高于本征激发的自由电子的浓度。 ? 磷原子在硅晶体中能提供电子，称磷为“施主杂质”，或N型杂质。在N型半导体中，多数载流子——电子；少数载流子——空穴。 注：整体呈电中性。 3）掺杂后的导电性能 不掺杂：晶体的导电性能近乎绝缘体。 掺杂后：半导体中具有多子和少子，这与本征半导体中的电子——空穴对具有关键的差别。 掺杂微量：大大提高了半导体的导电能力。常温下，每个杂质原子可提供一个可成为自由电子的价电子 （或空穴）,其数量远大于本征半导体激发的电子（或空穴）的浓度， 掺杂——对半导体的导电性能起了关键作用。 注： ①少子是本征激发而产生的，虽浓度很低,但对温度很敏感，它将影响半导体的导电性能。 ②而多数载流子的浓度基本等于掺杂原子的浓度，故受温度影响小。 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质 3.2 PN结的形成及特性 在一块完整的硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺形成N