第三章 二极管及其基本电路 2019年3月
第三章 二极管及其基本电路 2019年3月
§3-1半导体的基本知识 现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半 导体材料制造而成的。 常用的半导体材料有：元素半导体，如硅(S)、锗 (Ge)等；化合物半导体，如砷化镓(GaAs)等；以及 掺杂或制成其他化合物半导体的材料，如硼(B)、磷 (P)铟(In)和锑(Sb)等。硅是最常用的半导体材料。 半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同外， 还具有不同于其他物质的特点，如，当半导体受到 外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变 化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能 力也会有显著的增加。 2
§3-1半导体的基本知识 ❖ 现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半 导体材料制造而成的。 ❖ 常用的半导体材料有：元素半导体，如硅(Si)、锗 (Ge)等；化合物半导体，如砷化镓(GaAs)等；以及 掺杂或制成其他化合物半导体的材料，如硼(B)、磷 (P)、铟(In)和锑(Sb)等。硅是最常用的半导体材料。 ❖ 半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同外， 还具有不同于其他物质的特点，如，当半导体受到 外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变 化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能 力也会有显著的增加。 2
半导体的共价键结构 硅和锗都是四价元素，最外层原子轨道上具有四个电子，称 为价电子。由于原子呈中性，故原子核用带圆圈的+4符号表 示。物质的化学性质由价电子决定，半导体的导电性质与价 电子有关。 +4 价 电子 共价 硅和锗的原子 结构简化模型
半导体的共价键结构 ❖ 硅和锗都是四价元素，最外层原子轨道上具有四个电子，称 为价电子。由于原子呈中性，故原子核用带圆圈的+4符号表 示。物质的化学性质由价电子决定，半导体的导电性质与价 电子有关。 +4 共 价 键 价 电 子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 3 硅和锗的原子 结构简化模型
本征半导体 本征半导体是一种纯净的结构完整的半导体晶体。 ~电导率是半导体的重要物理特性，与材料内单位体积 中所含的电荷载流子的数目有关，电荷载流子的浓度 愈高，其电导率愈高。 必 半导体内载流子的浓度取决于许多因素，包括材料的 基本性质、温度以及所含的杂质。 在T=0K和没有外界激发时，由于每一原子的外围电 子被共价键所束缚，这些束缚电子对半导体内的传导 电流没有贡献。 当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中 获得能量较天的一部分价电子，能够挣脱共价键的束 缚离笄原字而成为首鱼电子。与此同时在共价键丙留 卞了写自由电字数目相同的空位。 4
本征半导体 ❖ 本征半导体是一种纯净的结构完整的半导体晶体。 ❖ 电导率是半导体的重要物理特性，与材料内单位体积 中所含的电荷载流子的数目有关，电荷载流子的浓度 愈高，其电导率愈高。 ❖ 半导体内载流子的浓度取决于许多因素，包括材料的 基本性质、温度以及所含的杂质。 ❖ 在T=0K和没有外界激发时，由于每一原子的外围电 子被共价键所束缚，这些束缚电子对半导体内的传导 电流没有贡献。 ❖ 当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中 获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束 缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留 下了与自由电子数目相同的空位。 4
空穴 冬 当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个 空位，这个空位叫做空穴。空穴是半导体区别于导体的一个重要 特点。 自由电子 5
空穴 ❖ 当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个 空位，这个空位叫做空穴。空穴是半导体区别于导体的一个重要 特点。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 5
空穴导电 冬由于共价键中出现了空穴，在外加电场的作用下，邻 近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，其他电子又可转移到这个 新的空穴，这样就使共价键中出现电荷迁移。 共价键中空穴或束缚电子移动产生电流的根本原因是 由于共价键中出现空穴引起的。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。 冬把空穴看成是一个带正电的粒子，所带的电量与电子 相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在 晶体中运动，从而和自由电子一样导电。因此空穴是 一 种载流子，空穴越多，半导体中的载流子数目就越 多，因此形成的电流就愈大。 6
空穴导电 ❖ 由于共价键中出现了空穴，在外加电场的作用下，邻 近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，其他电子又可转移到这个 新的空穴，这样就使共价键中出现电荷迁移。 ❖ 共价键中空穴或束缚电子移动产生电流的根本原因是 由于共价键中出现空穴引起的。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。 ❖ 把空穴看成是一个带正电的粒子，所带的电量与电子 相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在 晶体中运动，从而和自由电子一样导电。因此空穴是 一种载流子，空穴越多，半导体中的载流子数目就越 多，因此形成的电流就愈大。 6
本征载流子 。1 在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生自由电子- 空穴对，使载流子浓度增加。温度越高，产生率越高。 ● 与此同时，又会有相反的过程发生：复合。 ·复合率=产生率，达到动态平衡。 ●】 本征载流子浓度： ni=p=AT312e-EGol2kT n1,p分别表示电子和空穴的浓度(cm-3);T为热力学温度(K)；E为=OK时的禁带 宽度（硅为1.21eV,锗为0.78eV);为玻尔兹曼常数(8.63×10-6V/K);A是与半导 体材料有关的常数（硅为3.87×1016cm3·3/2,锗为1.76×1016cm-3·K-3/2)
本征载流子 在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生自由电子- 空穴对，使载流子浓度增加。温度越高，产生率越高。 与此同时，又会有相反的过程发生：复合。 复合率=产生率，达到动态平衡。 本征载流子浓度： E kT i i G n p A T e 3/ 2 / 2 0 − 0 = = 7 ni,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm–3 )；T为热力学温度(K)；EG0为T=0K时的禁带 宽度(硅为1.21eV,锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63×10–6 V/K)；A0是与半导 体材料有关的常数(硅为3.87×1016cm-3·K -3/2，锗为1.76×1016cm-3·K-3/2)
杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的 导电性能发生显著的改变。 ÷因掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为空穴(P) 型半导体和电子()型半导体两大类。 8
杂质半导体 ❖ 在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的 导电性能发生显著的改变。 ❖ 因掺入杂质的性质不同，杂质半导体可分为空穴(P) 型半导体和电子(N)型半导体两大类。 8
P型半导体 在本征硅或锗的晶体内掺入少量三价元素杂质，如 硼（或铟）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅 原于组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便产 生一个空位。 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发获 得能量时，有可能填补这个空位，使硼原子成为不 能移动的负离子；而原来硅原子的共价键，则因缺 少一个电子，形成了空穴。 的 因为硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主 杂质或P型杂质，受主杂质除硼外尚有铟和铝。加入 砷化镓的受主原子包括元素周期表中的川族元素（作 为镓原子的受主)或V族元素（作为砷原子的受主）。 9
P型半导体 ❖ 在本征硅或锗的晶体内掺入少量三价元素杂质，如 硼(或铟)等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅 原于组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便产 生一个空位。 ❖ 当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发获 得能量时，有可能填补这个空位，使硼原子成为不 能移动的负离子；而原来硅原子的共价键，则因缺 少一个电子，形成了空穴。 ❖ 因为硼原子在硅晶体中能接受电子，故称硼为受主 杂质或P型杂质，受主杂质除硼外尚有铟和铝。加入 砷化镓的受主原子包括元素周期表中的II族元素(作 为镓原子的受主)或IV族元素(作为砷原子的受主)。 9
P型半导体的共价键结构 ?P型半导体在产生空穴时，不产生新的自由电子。控 制掺入杂质的多少，便可控制空穴数量。 必 在P型半导体中， 空穴数远大于自 由电子数，在这 种半导体中，以 受主原子 邻近的电子落人受主的空位， 留下可移动的空穴 空穴导电为主 十】 因而空穴为多数 可移动的空穴 载流子，自由电 受主获得一个电子 子为少数载流子。 而形成一个负离？ -4 10
P型半导体的共价键结构 ❖ P型半导体在产生空穴时，不产生新的自由电子。控 制掺入杂质的多少，便可控制空穴数量。 10 ❖ 在P型半导体中， 空穴数远大于自 由电子数，在这 种半导体中，以 空穴导电为主， 因而空穴为多数 载流子，自由电 子为少数载流子