第4讲 二极管及其基本电路.ppt

3 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 二极管 3.4 二极管的基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管 3.6 SPIGE仿真 * 典型的半导体材料： 元素 硅（Si）、锗（Ge） 化合物 砷化镓（GaAs） 掺杂元素 硼（B）、磷（P） 根据物体导电能力来划分： 3.1.1 半导体材料 半导体 导体 绝缘体 3.1 半导体的基本知识 * 14 原子核 电子 价电子 硅的原子结构示意图： 硅的原子序数是： 14 锗的原子序数是： 32 半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶 体结构，它们的原子形成有序的排列，邻近原子 之间由共价键连接。 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1 半导体的基本知识 * 晶体结构的说明 半导体材料的原子形成有序的排列，邻近原子之 间由共价键连接，所以半导体是共价晶体。半导体器 件必须用单晶制造（晶体管）。 原子结构排列是否有序 晶体与非晶体－ 整块晶体的晶格取向是否一致 单晶与多晶－ 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1 半导体的基本知识 * 半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 半导体的二维结构 半导体的三维结构 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1 半导体的基本知识 * 自由电子和空穴 本征半导体 2.本征半导体的导电机制： ——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。须在单晶炉中提炼得到。 热激发或光照使价电子获得挣脱共价键束缚的 能量，成为自由电子，同时共价键中留下一个空位 ----空穴。在本征半导体中自由电子和空穴总是成 对出现——电子空穴对。 自由电子带负电,空穴带正电。 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 3.1 半导体的基本知识 * 由于热激发而产生的自由电子 自由电子移动后而留下的空穴 本征激发 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 3.1 半导体的基本知识 * 空穴的相对移动 相邻共价键中受束缚的价电子依次填充空 穴，产生空穴的相对移动。 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 3.1 半导体的基本知识 * （2）同时也使相邻共价键中受束缚的价电子依次 填充空穴，产生空穴的定向移动效果而导电 形成空穴电流。 （1）外电场使自由电子定向移动形成电子电流 本征半导体外加电场形成电流的情况 （3）电子电流和空穴电流的方向是相同的。 - + 空穴相当于顺着电场方向运动，自由电子逆着 电场方向运动，但形成电流的方向一样。 - + - + 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 3.1 半导体的基本知识 * 3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中人为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。 掺入杂质的半导体称为杂质半导体。在提炼单晶的过程中一起完成。 掺入的杂质主要是：三价元素硼(B)或五价元素磷(P)。 掺杂的目的：是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。 3.1 半导体的基本知识 根据掺入杂质的不同，半导体分为： N型半导体： P型半导体： 掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 * 1.P型半导体 在半导体硅（锗）的单晶中掺入微量三价元素硼。 形成： 硼的原子结构： +5 注意： 1. 掺入的杂质原子是微量的； 2. 在硅晶体中的某些位置上，硅原子由杂质原子代 替； 3.1.5 杂质半导体载流子 ＋3 由杂质原子提供的空穴 空位很容易俘获 邻近四价原子的 价电子，即在邻 近产生一个空 穴，空穴可以参 与导电。 因硼原子在硅晶体中，能接受电子，故称硼原子为受主杂质或P型杂质。 Positive 空位俘获电子后, 使杂质原子成为 负离子。负离子 束缚于晶格中， 不参与导电。 结论： 掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度和 热激发产生空穴浓度之和。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，它仍由热激发形成。 载流子：参与导电的自由电子或空穴。 3.1 半导体的基本知识 * P型半导体平面简化图 因提供一个空穴而本身带一个单位负电荷的杂质硼离子 由杂质原子提供的空穴 由本征半导体激发而形成的电子空穴对 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -