第6章 电子技术基础.ppt

第第6章章 电子技术基础电子技术基础20042004年年9 9月月制作制作 曾令琴曾令琴主编主编 曾令琴曾令琴半导体基本概念半导体基本概念 二极管二极管 单、双极刑三极管单、双极刑三极管第第5章章6.16.1半导体的基本知识半导体的基本知识半导体的基本知识半导体的基本知识6.36.3特殊二极管特殊二极管特殊二极管特殊二极管6.46.4双极型二极管双极型二极管双极型二极管双极型二极管6.56.5单极型三极管单极型三极管单极型三极管单极型三极管 6.26.2半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管第第1页页物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体3 3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在等金属都是良好的导体，它们的电导率在等金属都是良好的导体，它们的电导率在等金属都是良好的导体，它们的电导率在10105 5ScmScm-1-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在称为绝缘体，它们的电导率在称为绝缘体，它们的电导率在称为绝缘体，它们的电导率在1010-22-221010-14-14ScmScm-1-1量级；量级；量级；量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在它们的电导率在它们的电导率在它们的电导率在1010-9-910102 2ScmScm-1-1量级。自然界中属于量级。自然界中属于量级。自然界中属于量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)(Si)、锗、锗、锗、锗(Ge)(Ge)和砷化镓（和砷化镓（和砷化镓（和砷化镓（GaAs)GaAs)等。等。等。等。6.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第第3页页n n（1 1）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例）通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率。例如，室温如，室温如，室温如，室温30C30C时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质时，在纯净锗中掺入一亿分之一的杂质（称掺杂），其电导率会增加几百倍。（称掺杂），其电导率会增加几百倍。（称掺杂），其电导率会增加几百倍。（称掺杂），其电导率会增加几百倍。n n（2 2）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热）温度可明显地改变半导体的电导率。利用这种热敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半敏效应可制成热敏器件，但另一方面，热敏效应使半导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中导体的热稳定性下降。因此，在半导体构成的电路中常采用温度补偿及稳定参数等措施。常采用温度补偿及稳定参数等措施。常采用温度补偿及稳定参数等措施。常采用温度补偿及稳定参数等措施。n n（3 3）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电）光照不仅可改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器和光电池等。光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用光电池已在空间技术中得到广泛的应用，为人类利用太阳能提供了广阔的前景。太阳能提供了广阔的前景。太阳能提供了广阔的前景。太阳能提供了广阔的前景。半导体之所以得到广泛的应用，是因半导体之所以得到广泛的应用，是因半导体之所以得到广泛的应用，是因半导体之所以得到广泛的应用，是因为它具有以下特性。为它具有以下特性。为它具有以下特性。为它具有以下特性。1.1.半导体的独特性能半导体的独特性能半导体的独特性能半导体的独特性能第第3页页 由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。2.2.2.2.本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体（1 1）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体一般情况下，本征半导体中的载流子浓度一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。大，不稳定，因此其用途还是很有限的。硅和锗硅和锗的简化的简化原子模原子模型。型。这是硅和锗构成的这是硅和锗构成的共价键结构示意图共价键结构示意图晶体结构中的晶体结构中的共价键具有很强的共价键具有很强的结合力，在热力学结合力，在热力学零度和没有外界能零度和没有外界能量激发时，价电子量激发时，价电子没有能力挣脱共价没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体键束缚，这时晶体中几乎没有自由电中几乎没有自由电子，因此不能导电子，因此不能导电第第3页页当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由自由自由自由电子电子电子电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴空穴空穴空穴”。空穴空穴自由自由电子电子本征半导体中产生电子本征半导体中产生电子空穴对的现象称为空穴对的现象称为本征激发。本征激发。本征激发。本征激发。显然在外电场的作用下，半导体中将出现两显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电子电子电子电流电流电流电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的电子）递补空穴形成的空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流。共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。补，再出现空穴，如右图所示。在半导体中同时存在在半导体中同时存在自由电子自由电子自由电子自由电子和和空穴空穴空穴空穴两种两种载流子载流子载流子载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。本质上的区别。第第3页页在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元五价元素素，杂质原子就替代杂质原子就替代了共价键中了共价键中某些硅原子的位置某些硅原子的位置，杂，杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电中，不能移动，所以它不参与导电。杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发不同，它不会产生空穴因此与本征激发不同，它不会产生空穴。由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为称为施主原子施主原子施主原子施主原子。掺入五价元素的杂质半导体，其掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称，因此称为为电子型电子型电子型电子型半导体半导体，也叫做，也叫做N N型型型型半导体半导体。在在N N型型型型半导体中，半导体中，自由电子为多数自由电子为多数自由电子为多数自由电子为多数载流子载流子（简称多子），（简称多子），空穴为少数空穴为少数空穴为少数空穴为少数载载流子流子（简称少子）；不能移动的（简称少子）；不能移动的离子带正电离子带正电离子带正电离子带正电。（2 2）杂质半导体）杂质半导体）杂质半导体）杂质半导体相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为掺入杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体。杂质半导体可以分为杂质半导体可以分为N N型型型型和和和和P P型型型型两大类。两大类。N N型半导体型半导体型半导体型半导体第第3页页不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。应注意：应注意：应注意：应注意：P P型半导体型半导体型半导体型半导体在在P型半导体中，由于杂质原子可以型半导体中，由于杂质原子可以接收一接收一接收一接收一个价电子个价电子个价电子个价电子而成为而成为不能移动不能移动不能移动不能移动的负离子，故称为的负离子，故称为受受受受主原子主原子主原子主原子。掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为度远远大于自由电子的浓度，因此称为空穴型空穴型空穴型空穴型半导体半导体，也叫做，也叫做P P型型型型半导体半导体。在硅（或锗）晶体中掺入微量的在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素三价元素三价元素三价元素杂质硼（或其他），硼原子杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子得电子而成为而成为不能移动的负离子不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键则因而原来的硅原子共价键则因缺少缺少一个电子，出现一个一个电子，出现一个空穴空穴。于是半导体中。于是半导体中的空穴数目大量增加。的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子子。第第3页页正负空间电荷在交界面两侧形成一个由正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向区指向P区的电场，称为区的电场，称为内电场内电场，它，它对多对多数载流子的扩散运动起阻挡作用数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为，所以空间电荷区又称为阻挡层阻挡层。同时，内电场对少。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动。3.PN3.PN结结结结P型和型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或型或N型型半导体，在半导体，在P型和型和N型半导体的交界面就会形成型半导体的交界面就会形成PN结。结。PNPN结是构成各种半导体器件的基础结是构成各种半导体器件的基础结是构成各种半导体器件的基础结是构成各种半导体器件的基础。左图所示的是一块晶片，两边分别形成左图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和型和N型半导体。为便于理解，图中型半导体。为便于理解，图中P区仅区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区区向向N区扩散，自由电子要从浓度高的区扩散，自由电子要从浓度高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是域，这就是PNPN结结结结，又叫，又叫耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层。第第3页页空间电荷区空间电荷区PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的状态。+PNPN结的形成演示结的形成演示结的形成演示结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向区向N区扩散，自由电子要从浓度区扩散，自由电子要从浓度高的高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是空间电荷区（如上图所示），也就是PNPN结结结结，又叫，又叫耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层。P区N区空间电荷区空间电荷区第第3页页少子少子漂移漂移扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结多子多子扩散扩散形成空间电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场促使促使阻止阻止第第3页页扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散使空间电扩散使空间电扩散使空间电扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强荷区加宽，促使内电场增强荷区加宽，促使内电场增强荷区加宽，促使内电场增强，同时，同时对多数载流子的继续扩散阻对多数载流子的继续扩散阻力增大力增大，但，但使少数载流子漂移增强使少数载流子漂移增强；漂移使空间电荷区变窄，漂移使空间电荷区变窄，漂移使空间电荷区变窄，漂移使空间电荷区变窄，电场减弱电场减弱电场减弱电场减弱，又，又促使多子的扩散容易进行促使多子的扩散容易进行。继续讨论继续讨论当漂移运动达到和扩散运动相等时，当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于结便处于动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡状态。可状态。可以想象，在平衡状态下，电子从以想象，在平衡状态下，电子从N区到区到P区扩散电流必然等于从区扩散电流必然等于从P区到区到N区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即总的总的总的总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。在无外电场或其他因素激发时，在无外电场或其他因素激发时，在无外电场或其他因素激发时，在无外电场或其他因素激发时，PNPN结处于平衡状态，没有电流通过，结处于平衡状态，没有电流通过，结处于平衡状态，没有电流通过，结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。空间电荷区的宽度一定。空间电荷区的宽度一定。空间电荷区的宽度一定。由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗耗耗耗尽层，其电阻率很高，为高阻区尽层，其电阻率很高，为高阻区尽层，其电阻率很高，为高阻区尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。扩散作用越强，耗尽层越宽。PNPN结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。第第3页页3.PN3.PN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性PNPN结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由PNPN结构成的半结构成的半结构成的半结构成的半导体器件的主要工作机理。导体器件的主要工作机理。导体器件的主要工作机理。导体器件的主要工作机理。uuPNPN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：uu正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，的扩散运动大大超过少子的漂移运动，的扩散运动大大超过少子的漂移运动，的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N N区的电子不断扩散到区的电子不断扩散到区的电子不断扩散到区的电子不断扩散到P P区，区，区，区，P P区的空穴也不断扩散到区的空穴也不断扩散到区的空穴也不断扩散到区的空穴也不断扩散到N N区，形成较大的区，形成较大的区，形成较大的区，形成较大的正向电流正向电流正向电流正向电流，这时，这时，这时，这时称称称称PNPN结处于结处于结处于结处于导通导通导通导通状态状态状态状态。第第3页页uuP P端引出极接电源负极，端引出极接电源负极，端引出极接电源负极，端引出极接电源负极，N N端引出极电源正极的接法称为反向端引出极电源正极的接法称为反向端引出极电源正极的接法称为反向端引出极电源正极的接法称为反向偏置；偏置；偏置；偏置；uu反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即子的扩散难以进行，即子的扩散难以进行，即子的扩散难以进行，即PNPN结对反向电压呈高阻特性；反偏时结对反向电压呈高阻特性；反偏时结对反向电压呈高阻特性；反偏时结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流 I IR R一般情况下可忽略不计，此时称一般情况下可忽略不计，此时称一般情况下可忽略不计，此时称一般情况下可忽略不计，此时称PNPN结处于结处于结处于结处于截止截止截止截止状态。状态。状态。状态。PNPN结的结的结的结的“正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断”称为其单向称为其单向称为其单向称为其单向导电性质，这正是导电性质，这正是导电性质，这正是导电性质，这正是PNPN结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。第第3页页讨论题讨论题 半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别：金金属导体中只有一种载流子属导体中只有一种载流子自由自由电子参与导电，半导体中有两种电子参与导电，半导体中有两种载流子载流子自由电子和空穴参与导自由电子和空穴参与导电，电，而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。半导体导电机理半导体导电机理和导体的导电机和导体的导电机理有什么区别？理有什么区别？杂质半导体中的多子和少子杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。性质取决于杂质的外层价电子。若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成P型半导体。P型半导体的共价键结构中空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是空穴，少子是电子。杂质半导体中的多数载流杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产子和少数载流子是怎样产生的？为什么生的？为什么P型半导体型半导体中的空穴多于电子？中的空穴多于电子？N型半导体中具有多数载流子电子，同时型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子发的电子空穴对，因此整块半导体中正空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。负电荷数量相等，呈电中性而不带电。N型半导体中的多数载型半导体中的多数载流子是电子，能否认为流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电这种半导体就是带负电的？为什么？的？为什么？空间电荷区的电阻空间电荷区的电阻率为什么很高？率为什么很高？何谓何谓PN结的单向导结的单向导电性？电性？第第3页页2.半导体在热（或光照等半导体在热（或光照等）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会“跳进跳进”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被空穴对被“吃掉吃掉”。在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定。1.半导体中的少子虽然浓度很低半导体中的少子虽然浓度很低，但少子对温度非，但少子对温度非常敏感，即常敏感，即温度对半导体器件的性能影响很大温度对半导体器件的性能影响很大温度对半导体器件的性能影响很大温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因。而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影响。响。4.PN结的单向导电性是指：结的单向导电性是指：PNPN结的正向电阻很小，因此正向偏结的正向电阻很小，因此正向偏结的正向电阻很小，因此正向偏结的正向电阻很小，因此正向偏置时电流极易通过；同时置时电流极易通过；同时置时电流极易通过；同时置时电流极易通过；同时PNPN结的反向电阻很大，反向偏置时电流结的反向电阻很大，反向偏置时电流结的反向电阻很大，反向偏置时电流结的反向电阻很大，反向偏置时电流基本为零。基本为零。基本为零。基本为零。问题探讨问题探讨问题探讨问题探讨3.空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就是说，是说，空间电荷区对扩散电流呈现高阻空间电荷区对扩散电流呈现高阻空间电荷区对扩散电流呈现高阻空间电荷区对扩散电流呈现高阻。第第3页页6.2 半导体二极管半导体二极管1.1.二极管的结构和类型二极管的结构和类型二极管的结构和类型二极管的结构和类型一一个个PN结结加加上上相相应应的的电电极极引引线线并并用用管管壳壳封封装装起起来来，就就构构成成了了半半导导体体二二极极管管，简简称称二二极极管管，接接在在P型型半半导导体体一一侧侧的的引引出出线线称称为为阳阳极；接在极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。型半导体一侧的引出线称为阴极。半导体二极管按其结构不同可分为半导体二极管按其结构不同可分为点接触型点接触型点接触型点接触型和和面接触型面接触型面接触型面接触型两类。两类。点点接接触触型型二二极极管管PNPN结结结结面面面面积积积积很很很很小小小小，因因因因而而而而结结结结电电电电容容容容小小小小，适适适适用用用用于于于于高高高高频频频频几几几几百百百百兆兆兆兆赫赫赫赫兹兹兹兹下下下下工工工工作作作作，但但但但不不不不能能能能通通通通过过过过很很很很大大大大的的的的电电电电流流流流。主主要要应应用用于于小小电电流流的的整整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。面面接接触触型型二二极极管管PN结结面面积积大大，因因而而能能通通过过较较大大的的电电流流，但但其其结结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。参看二极管参看二极管参看二极管参看二极管的实物图的实物图的实物图的实物图第第3页页2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的电路图符号如右图所示：二极管的电路图符号如右图所示：二极管的电路图符号如右图所示：二极管的电路图符号如右图所示：（1 1）正向特性）正向特性）正向特性）正向特性二极管外加正向电压较小时，外二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，的阻力，PN结仍处于截止状态结仍处于截止状态。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。正向电压大于死区电压后，正正向电压大于死区电压后，正向电流向电流随着正向电压增大迅速上随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为锗管约为0.2V。（2 2）反向特性）反向特性）反向特性）反向特性外加反向电压时，外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小；结处于截止状态，反向电流很小；显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。显然二极管的伏安特性不是直线，因此属于非线性电阻元件。导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为导通后二极管的正向压降变化不大，硅管约为0.60.8V，锗管约为，锗管约为0.20.3V。温度上升，死区电。温度上升，死区电压和正向压降均相应降低。压和正向压降均相应降低。第第3页页普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成成“热击穿热击穿”，热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿，这两种击，这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而穿不会从根本上损坏二极管，而热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏。热击穿问题热击穿问题热击穿问题热击穿问题3.3.二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数1）最大整流电流）最大整流电流IDM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压）最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最高反向电压。二极管运行时允许承受的最高反向电压。3）反向电流）反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。性越好。4.4.二极管的应用举例二极管的应用举例二极管的应用举例二极管的应用举例二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检二极管应用范围很广，主要是利用它的单向导电性，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。波、限幅、元件保护以及在数字电路中用作开关元件等。DTru1RLu2UL二极管半波整流电路二极管半波整流电路uuDAUF二极管钳位电路二极管钳位电路RuOuiD1D2二极管限幅电路二极管限幅电路第第3页页讨论讨论讨论讨论PNPN结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？结击穿现象包括哪些？击穿是否意味着二极管的永久损坏？反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧增，反向电压增加到一定大小时，通过二极管的反向电流剧增，这种现象称为二极管的这种现象称为二极管的反向击穿反向击穿反向击穿反向击穿。反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。反向击穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。穿现象分有雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿：PN结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间电结反向电压增加时，空间电荷区内电场增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与晶荷区的电子和空穴，在内电场作用下获得较大能量，它们运动时不断地与晶体中其它体中其它原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电子原子发生碰撞，通过碰撞使其它共价键产生本征激发又出现电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对与原有的电子和空空穴对与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过碰撞穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，再通过碰撞其它原子，又产生电子其它原子，又产生电子空穴对，从而空穴对，从而形成载流子的倍增效应形成载流子的倍增效应形成载流子的倍增效应形成载流子的倍增效应。当反向电压。当反向电压增大到某一数值，增大到某一数值，载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩一样，载流子的倍增情况就像在陡峻的山坡上积雪发生雪崩一样，突然使反向电流急剧增大，发生二极管的突然使反向电流急剧增大，发生二极管的雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿。齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿：在加有较高的反向电压下，在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存一个强电场，结空间电荷区中存一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，形成较大的反向空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为210V/cm，这只有在杂质浓度特别，这只有在杂质浓度特别大的大的PN结中才能达到，因为结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度也大，因而空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使空间电荷区很窄，电场强度可能很高，致使PN结产生结产生雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿。齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏。第第3页页稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其实物图、图符号及伏安特性如图所示：安特性如图所示：当反向电压加到某一数值时，反当反向电压加到某一数值时，反向电流剧增，管子进入反向击穿区。向电流剧增，管子进入反向击穿区。图中图中UZ稳压管的稳定电压值稳压管的稳定电压值。6.3 特殊二极管特殊二极管1.1.稳压管稳压管稳压管稳压管稳压管实物图稳压管实物图 由图可见，稳压管特性和普通二由图可见，稳压管特性和普通二极管类似，但其极管类似，但其反向击穿是可逆的，反向击穿是可逆的，不会发生不会发生“热击穿热击穿”，而且其反向击，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即穿后的特性曲线比较陡直，即反向电反向电压基本不随反向电流变化而变化压基本不随反向电流变化而变化，这这就是稳压二极管的稳压特性就是稳压二极管的稳压特性。稳