模拟电子技术基础半导体二极管及其应用.pptx
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1、1.1.11.1.1本征半导体本征半导体1.1.21.1.2杂质半导体杂质半导体及载流子的运动及载流子的运动 1 1、N N型半导体型半导体 2 2、P P型半导体型半导体 3 3、半半半半导导导导体中体中体中体中载载载载流子的运流子的运流子的运流子的运动动动动本节内容本节内容1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第1页/共31页1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体本征半导体是是纯净纯净的具有的具有晶体结构晶体结构的半导体。的半导体。(在在T=0K时,相当于,相当于绝
2、缘体体)。什么是半导体?什么是本征半导体?什么是半导体?什么是本征半导体?导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间,如导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅(硅(Si)、)、锗(锗(Ge)等,均为四价元素()等,均为
3、四价元素(其原子最外层电子一般为其原子最外层电子一般为4个个,受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间)。受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间)。1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第2页/共31页导电特性:导电特性:(1)(1)掺杂效应:掺杂效应:在本征半导体在本征半导体(纯净的且晶体结构完纯净的且晶体结构完整的半导体,在整的半导体,在T T=0K=0K时,相当于绝缘体。时,相当于绝缘体。)中掺入少中掺入少量其他元素量其他元素(杂质杂质),可以改变和控制半导体的,可以改变和控制半导体的导电能力和导电类型,藉此特性可制造各种半导电能力和导
4、电类型,藉此特性可制造各种半导体器件;导体器件;(2(2)热敏效应热敏效应:温度变化可以改变半导体的导电:温度变化可以改变半导体的导电能力,藉此热敏效应可制造热敏元件;能力,藉此热敏效应可制造热敏元件;(3)(3)光敏效应光敏效应:光照可以改变半导体的导电能力,:光照可以改变半导体的导电能力,并产生电动势,藉此光电效应可制造光电晶体并产生电动势,藉此光电效应可制造光电晶体管、光电耦合器和光电池等光电器件。管、光电耦合器和光电池等光电器件。1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第3页/共31页(1)本征半导体的结构(1)(1)T T=0K
5、(-273)=0K(-273)共价键结构稳定,共价键结构稳定,无自由电子无自由电子-不导电不导电(3)(3)复合复合:自由电子填补空穴,自:自由电子填补空穴,自由电子由电子-空穴成对消失。空穴成对消失。一定温度下,本征激发与复合运动达到一定温度下,本征激发与复合运动达到动态平衡,自由电子与空穴的浓度一定动态平衡,自由电子与空穴的浓度一定且相等,可按且相等,可按式式(1-1)(1-1)计算。温度升高,计算。温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大,本征半自由电子与空穴对的浓度加大,本征半导体的导电能力增强。导体的导电能力增强。(2)
6、(2)本征激发本征激发(热激发)(热激发)T T、光照,电子光照,电子-空穴成对出现:具有空穴成对出现:具有足够能量的价电子挣脱共价键的束足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,共价键中留有缚而成为自由电子,共价键中留有一个空位置,称为空穴。一个空位置,称为空穴。+4+4价电子自由电子空穴+4+4+4共价键共价键注意区别:价电子与自由电子注意区别:价电子与自由电子1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第4页/共31页 本征半导体中载流子数目少,导电性差。本征半导体中载流子数目少,导电性差。温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,温
7、度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。导电性增强。热力学温度热力学温度0K0K时不导电。时不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?(2)(2)(2)(2)、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子运载电荷的粒子称为载流子。两种载流子两种载流子 本征半导体中存在两种载流子本征半导体中存在两种载流子-带负电的自由电子和带正电带负电的自由电子和带正电的空穴。外加电场作用下,两种的空穴。外加电场作用下,两种载流子均参与导电,且运动方向载流子均参与导电,
8、且运动方向相反。相反。理解与区别:二者导电的本质。理解与区别:二者导电的本质。1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第5页/共31页自由电子:本征激发施主杂质提供自由电子:本征激发施主杂质提供 -多多(数载流数载流)子子空穴:本征激发产生空穴:本征激发产生-少少(数载流数载流)子子掺入五价元素杂质的半导体主要靠掺入五价元素杂质的半导体主要靠自由电子导电,掺入杂质越多,自自由电子导电,掺入杂质越多,自由电子浓度越高,导电性越强,因由电子浓度越高,导电性越强,因此称为此称为电子型或电子型或N型半导体型半导体。1.1.2 1.1.2 1.1.
9、2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体-载流子数载流子数载流子数载流子数杂质一般有两种:五价(磷)N(电子)型;三价(铟)P(空穴)型1.N型半导体型半导体-掺入五价施主杂质掺入五价施主杂质1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第6页/共31页1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体-载流子数载流子数载流子数载流子数2.P型半导体型半导体-掺入三价受主杂质掺入三价受主杂质杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电能杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多,多
10、子浓度越高,导电能力越强,实现导电性可控。力越强,实现导电性可控。空穴:本征激发受主杂质提供空穴:本征激发受主杂质提供 -多子多子自由电子:本征激发产生自由电子:本征激发产生-少子少子掺入三价元素杂质的半导体主要靠掺入三价元素杂质的半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,因此称为度越高,导电性越强,因此称为空空穴型或穴型或P型半导体型半导体。1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第7页/共31页 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多
11、,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。N N型半导体主要靠电子导电,其多数载流子是电子,掺入型半导体主要靠电子导电,其多数载流子是电子,掺入杂质越多,电子浓度越高,导电性越强。杂质越多,电子浓度越高,导电性越强。那么空穴比未加那么空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?杂质时的数目多了?少了?为什么?P P型半导体主要靠空穴导电,其多数载流子是空穴,掺入型半导体主要靠空穴导电,其多数载流子是空穴,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强。杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强。那么空穴比未加杂那么空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?质时的数目多了
12、?少了?为什么?在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?同吗?1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第8页/共31页3、半导体中载流子的运动注意注意:自由电子导电自由电子导电 -是在外电场或浓度梯度作用下,本身的定向是在外电场或浓度梯度作用下,本身的定向 运动运动空穴导电空穴导电 -是在外电场或浓度梯度作用下,价电子依次是在外电场或浓度梯度作用下,价电子依次 填补空穴的运动。填
13、补空穴的运动。载流子浓度差载流子浓度差(浓度梯度浓度梯度)作用下,载流子的定向运动作用下,载流子的定向运动产生扩散电流产生扩散电流电子流电子流外电场作用下,载流子定向运动产生外电场作用下,载流子定向运动产生 漂移电流漂移电流空穴流空穴流扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体的基础知识的基础知识的基础知识的基础知识第9页/共31页1.2.1 PN 结的形成结的形成1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN结正偏导通结正偏导通 2.PN结反偏截止结反偏截止 1.2.3 PN结的电容特性结的电容特性 1.势垒电容势垒电容 2.扩散电容扩散
14、电容本节内容本节内容1.2 PN1.2 PN1.2 PN1.2 PN结结结结及其单向导电性及其单向导电性及其单向导电性及其单向导电性第10页/共31页P区N区空间电荷区1.2.1 PN PN结的形成E0Uxx-xPxN(b)OU 为接触电位差,是当 E0 恒定时,在PN结中产生的电位差浓度差浓度差多子扩散多子扩散复合复合多子扩散少子漂移动态平衡时空间电荷区宽度恒定PN 结形成:内电场 少子漂移 空间电荷内电场多子扩散 内电场 少子漂移不利于多子扩散不利于多子扩散有利于少子漂移有利于少子漂移内电场内电场 形成空间电荷区形成空间电荷区E1.2 PN1.2 PN1.2 PN1.2 PN结结结结及其单
15、向导电性及其单向导电性及其单向导电性及其单向导电性第11页/共31页PNPN结的形成结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了达到动态平衡,就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N N区的自由电子浓度降低,形成内电场,从而阻止扩散运动的进区的自由电子浓度降低,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从行。内电场使空穴从N N区向区向P P区、自由
16、电子从区、自由电子从P P区向区向N N 区运动区运动(有有利于漂移运动的进行利于漂移运动的进行)。1.2 PN1.2 PN1.2 PN1.2 PN结结结结及其单向导电性及其单向导电性及其单向导电性及其单向导电性第12页/共31页1.2.21.2.21.2.21.2.2 PN PN PN PN结的结的结的结的单向导电性单向导电性单向导电性单向导电性正偏电流大,反偏电流小PN结加正向电压导通:结加正向电压导通:耗尽层变窄,扩散运动加耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,成扩散电流,PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。1.正偏导通UE外与E0反向PN
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