半導體及二極管ppt課件(已修改)

　

【正文】 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 第二章 二極管及其基本電路 半導體的基本知識 PN結(jié)的形成及特性 二極管 二極管的基本電路及其分析方法 特殊二極管 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 了解半導體材料的基本結(jié)構(gòu)及 PN結(jié)的形成；掌握 PN結(jié)的單向?qū)щ姽ぷ髟恚涣私舛O管（ 包括穩(wěn)壓管 ） 的 VI特性及主要性能指標；掌握二極管電路的分析方法 。 本征半導體、空穴、 P型雜質(zhì)半導體、 N型雜質(zhì)半導體的概念； PN結(jié)的單向?qū)щ姽ぷ髟怼舸┨匦裕话雽w二極管的結(jié)構(gòu)、 VI特性；二極管電路的分析方法。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 理論課 7學時。 PN結(jié)的單向?qū)щ姽ぷ髟怼舸┨匦裕欢O管電路的分析方法。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 根據(jù)物體導電能力 (電阻率 )的不同 ， 來劃分 導體 、絕緣體 和 半導體 。 半導體的電阻率為 103～ 109??cm。 典型的半導體有 硅 Si和 鍺 Ge以及化合物半導體 ， 如砷化鎵 GaAs等 。 半導體具有某些特殊性質(zhì)：如 光敏性 、 熱敏性 及 摻雜特性 ，導電能力改變。 一、半導體材料 半導體的基本知識 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 二、半導體的共價鍵結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是 硅 和 鍺 ，它們的最外層電子（價電子）都是四個。 Ge Si 硅與鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型 通過一定的工藝過程，可以將半導體制成 晶體 。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 硅和鍺是四價元素 ， 它們分別與周圍的四個原子的價電子形成 共價鍵 。 共價鍵中的價電子為這些原子所共有并為它們所束縛 ， 在空間形成排列有序的晶體 。 (a) 硅晶體的空間排列 共價鍵共用電子對 +4表示除去價電子后的原子 (b) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 +4 +4 +4 +4 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為 束縛電子 ，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子 ，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。 形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。 +4 +4 +4 +4 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 三、本征半導體、空穴及其導電作用 本征半導體 ：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。 半導體的重要物理特性是它的 電導率 ， 電導率與材料內(nèi)單位體積中所含的電荷 載流子的數(shù)目 有關 。 電荷載流子的濃度愈高 ， 其導電率愈高 。 載流子的濃度 取決于材料的基本性質(zhì) 、 溫度值及雜質(zhì)的存在 。 在絕對 0度（ T = 0K）和沒有外界激發(fā)時，價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 當溫度升高或受到光的照射時 ， 價電子能量增高 ，有的價電子可以 掙脫 原子核的束縛 ， 而參與導電 ， 成為 自由電子 。 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為 空穴 。 空穴 的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。 這一現(xiàn)象稱為 本征激發(fā) ， 也稱 熱激發(fā) 。 動畫：本征激發(fā) 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 +4 +4 +4 +4 自由電子 空穴 束縛電子 由于共價鍵中出現(xiàn)了空位，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為 空穴是載流子 。 動畫：電子與空穴的移動 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 自由電子的定向運動形成了 電子電流 ， 空穴的定向運動也可形成 空穴電流 ， 它們的方向相反 。 只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的 。 本征半導體中電流由兩部分組成： 自由電子移動產(chǎn)生的電流； 空穴移動產(chǎn)生的電流。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的 ， 稱為 電子空穴對 。 游離的部分自由電子也可能回到空穴中去 ， 稱為 復合 。 本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到 動態(tài)平衡 。 溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強， 溫度 是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。 本征半導體的導電能力取決于 載流子的濃度 。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 四、雜質(zhì) 半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì) ， 可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化 。 摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素 。 摻入雜質(zhì)后的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體 。 根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同 ， 分為： N型半導體： 摻入五價雜質(zhì)元素的半導體 。 P型半導體： 摻入三價雜質(zhì)元素的半導體 。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 1. P型半導體 本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素 ， 如硼 、 鎵 、 銦等形成 P型半導體 ， 也稱為 空穴型半導體 。 因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時 ， 缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴 。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子 。三價雜質(zhì)因而也稱為 受主雜質(zhì) 。 P型半導體的結(jié)構(gòu)示意圖 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 P型半導體 中 空穴是多數(shù)載流子 ， 主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子 ， 由熱激發(fā)形成 。 在本征半導體中摻入 五價 雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導體 ,也稱 電子型半導體 。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。 2. N 型半導體 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 在 N型半導體中 自由電子是多數(shù)載流子 ，它主要由 雜質(zhì)原子提供； 空穴是少數(shù)載流子 ，由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因 自由電子 脫離而帶正電荷成為 正離子 ，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì) 。 N型半導體結(jié)構(gòu)示意圖 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 少量摻雜，平衡狀態(tài)下： ni2 =np 其中， ni為本征濃度， n為自由電子濃度， p為空穴濃度。 溫度增加，本征激發(fā)加劇，但本征激發(fā)產(chǎn)生的多子遠小雜質(zhì)電離產(chǎn)生的多子。 3. 雜質(zhì)半導體的載流子濃度 ① T = 300K室溫下 ,本征硅的電子和空穴濃度： n = p = 1010/cm3 ③ 本征硅的原子濃度： 1022/cm3 以上三個濃度基本上依次相差 106/cm3。 ② 摻雜后 N型半導體中的自由電子濃度： n= 5 1016/cm3 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 一、載流子的漂移與擴散 PN結(jié)的形成及特性 漂移： 由于電場作用而導致載流子的運動。 對于 空穴 ，其移動方向與電場 方向相同 ； 對于 電子 ，其移動方向與電場的 方向相反 。 擴散： 基于載流子的濃度差異和隨機熱運動速度，載流子由高濃度區(qū)域向低濃度的區(qū)域擴散，從而形成擴散電流。 若無外來的超量載流子的注入或電場的作用，晶體內(nèi)的載流子濃度趨向于均勻直至擴散電流為零。 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 二、 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì) ,分別形成 N型半導體 和 P型半導體 。 此時將在 N型半導體和 P型半導體的結(jié)合面上形成如下物理過程： 因濃度差 ? 空間電荷區(qū)形成 內(nèi)電場 ? 內(nèi)電場促使少子漂移 ? 內(nèi)電場阻止多子擴散 ? 多子的擴散運動 ?由 雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 回主頁 總目錄 章目錄 上一頁 下一頁 退出 最后多子 擴散 和少子的漂移 達到 動態(tài)平衡 。 對于 P型半導體和 N型半導體結(jié)合面 ， 不能移動的帶電粒子形成的 空間電荷區(qū) 稱為 PN結(jié) 。 在空間電荷區(qū) ， 由于多子已擴散到對方并復合掉了或者說消耗盡了 ， 所以空間電荷區(qū)也稱 耗盡區(qū) 。