第三章 二极管及其基本电路 2010年3月12日
1 第三章 二极管及其基本电路 2010年3月12日
§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n)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
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
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。 大块晶体中 的局部结构 两个电子的共价键 硅和锗的原子 正离子核 结构简化模型 3
3 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。 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。 必 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。 半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样 紧。在室温下，价电子就会获得足够的随机热振动能 量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
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。 半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样 紧。在室温下，价电子就会获得足够的随机热振动能 量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 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】 十4 由于热激发而产 生的自由电子 +4】● 自由电子移走后 而留下的空穴 +4 +4】 5
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
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。 必 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，半导体中的载流于数目就越 多，因此形成的电流就愈大。 6
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。 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，半导体中的载流于数目就越 多，因此形成的电流就愈大
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。 冬 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。 7
7 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
P型半导体 在硅或锗的晶体内渗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Ⅲ族元素（作为镓 原子的受主)或V族元素（作为砷原子的受主）。 8
8 P型半导体 在硅或锗的晶体内渗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)
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。 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 邻近的电子落入受主的空位 留下可移动的空穴 空穴导电为主 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。 而形成一个负离子 十4】 9
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。 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
N型半导体 冬为了在半导体内产生多余的电子，可以将一种叫做施 主杂质或N型杂质掺入硅（或锗）的晶体内。 ?施主原子在掺杂半导体的共价键结构中多余一个电子。 典型的施主原子有磷、砷和锑。在砷化镓工艺中，施 主原子包括元素周期表中的V族元素（作为砷原子的 施主)或V族元素（作为镓原子的施主）。 当一个施主原子加入半导体后，其多余的电子易于受 热激发而成为自由电子参与传导电流，它移动后，在 施主原子的位置上留下一个固定的、不能移动的正离 子。 在产生自由电子的同时，并不产生相应的空穴。称为 电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中，电子 为多数载流子，空穴为少数载流子。 10
10 N型半导体 为了在半导体内产生多余的电子，可以将一种叫做施 主杂质或N型杂质掺入硅(或锗)的晶体内。 施主原子在掺杂半导体的共价键结构中多余一个电子。 典型的施主原子有磷、砷和锑。在砷化镓工艺中，施 主原子包括元素周期表中的VI族元素(作为砷原子的 施主)或IV族元素(作为镓原子的施主)。 当一个施主原子加入半导体后，其多余的电子易于受 热激发而成为自由电子参与传导电流，它移动后，在 施主原子的位置上留下一个固定的、不能移动的正离 子。 在产生自由电子的同时，并不产生相应的空穴。称为 电子型半导体或N型半导体。在N型半导体中，电子 为多数载流子，空穴为少数载流子