西安交大模电课件第1章半导体二极管及其应用

上页下页后退模拟电子技术基础1.1.1PN结的形成1半导体二极管及其应用1.1PN结半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。最常用的半导体材料：物体根据其导电能力（电阻率）分半导体绝缘体导体锗硅上页下页后退模拟电子技术基础+14284Si硅原子结构示意图+322818Ge锗原子结构示意图4原子结构示意图上页下页后退模拟电子技术基础平面结构立体结构SiSiSiSiSiSiSiSiSi1.本征半导体本征半导体就是完全纯净的半导体。上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键价电子上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSi本征激发产生电子和空穴自由电子空穴上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSi电子、空穴成对产生上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi电子、空穴成对产生电子、空穴成对复合上页下页后退模拟电子技术基础电子和空穴的产生过程动画演示上页下页后退模拟电子技术基础本征激发使空穴和自由电子成对产生。相遇复合时，又成对消失。小结：空穴浓度（np)=电子浓度(nn)温度T一定时np×nn=K(T)K(T)——与温度有关的常数上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSi在外电场作用下U上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiU电子运动形成电子电流上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiU上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiU上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiU上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiU价电子填补空穴而使空穴移动，形成空穴电流上页下页后退模拟电子技术基础1)在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的本质区别。a.电阻率大。2)本征半导体的特点：b.导电性能随温度变化大。小结：带正电的空穴带负电的自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用上页下页后退模拟电子技术基础2．掺杂半导体在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体。根据掺杂的不同，杂质半导体分为N型导体P型导体（1）N型半导体掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体。上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSi掺入少量五价杂质元素磷P上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiP多出一个电子出现了一个正离子上页下页后退模拟电子技术基础++++++++++++++++++++++++++++++++++++半导体中产生了大量的自由电子和正离子上页下页后退模拟电子技术基础N型半导体的形成过程上页下页后退模拟电子技术基础c.电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。e.因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或电子型半导体。f.掺入的杂质能给出电子，称为施主杂质。a.N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形成的。b.N型半导体产生了大量的(自由）电子和正离子。小结：d.np×nn=K(T)上页下页后退模拟电子技术基础(2)P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等:SiSiSiSiSiSiSiSiSiB上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiSiSiSiB上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiBSiSi出现了一个空位上页下页后退模拟电子技术基础SiSiSiSiSiSiBSiSi出现了一个空穴出现了一个负离子。上页下页后退模拟电子技术基础------------------------------------半导体中产生了大量的空穴和负离子上页下页后退模拟电子技术基础P型半导体的形成过程上页下页后退模拟电子技术基础c.空穴是多数载流子,电子是少数载流子。e.因空穴带正电，称这种半导体为p(positive)型或空穴型半导体。f.掺入的杂质能接受电子，称为受主杂质。a.P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素形成的。b.P型半导体产生大量的空穴和负离子。小结：d.np×nn=K(T)上页下页后退模拟电子技术基础当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转型为P型；杂质半导体的转型：当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转型为N型NP掺入三价元素掺入五价元素上页下页后退模拟电子技术基础小结小结多子——电子少子——空穴P型—电子密度空穴密度{多子——空穴少子——电子本征激发仍存在多子——数目取决于掺杂多少；少子——数目主要取决于温度。注意：半导体中正负电荷总数相等，宏观呈电中性！N型—电子密度空穴密度{上页下页后退模拟电子技术基础N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半导体为基片通过半导体扩散工艺3.PN结的形成上页下页后退模拟电子技术基础使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础（1）在浓度差的作用下，电子从N区P向区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子小结：N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础PN结空间电荷层N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础形成内电场内电场方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础PN结一方面阻碍多子的扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础另一方面加速少子的漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础势垒U0形成电位势垒N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零。b.PN结的厚度一定（约几个微米）。c.接触电势一定（约零点几伏）。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------上页下页后退模拟电子技术基础PN结形成过程动画演示上页下页后退模拟电子技术基础当N区和P区的掺杂浓度不等时：离子密度大空间电荷区的宽度较窄离子密度小空间电荷区的宽度较宽高掺杂浓度区域用N+表示++++++______PN+上页下页后退模拟电子技术基础1.1.2PN结的单向导电性1．PN结正向偏置上页下页后退模拟电子技术基础------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++上页下页后退模拟电子技术基础------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++内电场被削弱PN结变窄PN结呈现低阻、导通状态多子进行扩散上页下页后退模拟电子技术基础PN结正偏动画演示上页下页后退模拟电子技术基础内电场增强PN结变宽PN结呈现高阻、截止状态不利多子扩散有利少子漂移------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++2．PN结反向偏置上页下页后退模拟电子技术基础此电流称为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++上页下页后退模拟电子技术基础PN结反偏动画演示上页下页后退模拟电子技术基础总结势垒PN结多子扩散少子漂移状态正偏降低薄利不利低阻反偏增高厚不利利高阻上页下页后退模拟电子技术基础1.1.3PN结的电压与电流关系)1(sTUueIi++++++_PN_____ui上页下页后退模拟电子技术基础IS—PN结反向饱和电流UT—热电压)1(sTUueIi式中UT=KTqq——电子电量T——绝对温度在室温（T=300K)时，K——玻耳兹曼常数其中上页下页后退模拟电子技术基础（1）当u=0时，i=0（3）当u0，且|u|UT时，i-IS讨论：（2）当u0，且uUT时，上页下页后退模拟电子技术基础思考题1.半导体中的载流子浓度主要与那些因素有关？2.温度升高，半导体的导电率如何变化？3.扩散电流与漂移电流的区别是什么？上页下页后退模拟电子技术基础1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型二极管就是一个封装的PN结平面型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球上页下页后退模拟电子技术基础半导体二极管的外型和符号负极外型正极正极负极符号上页下页后退模拟电子技术基础上页下页后退模拟电子技术基础上页下页后退模拟电子技术基础上页下页后退模拟电子技术基础半导体二极管的类型（1）按使用的半导体材料不同分为（2）按结构形式不同分硅管锗管点接触型平面型上页下页后退模拟电子技术基础1.2.2半导体二极管的伏安特性硅管00.8反向特性正向特性击穿特性00.8反向特性锗管正向特性uDiD上页下页后退模拟电子技术基础(1)非线性整个正向特性曲线近似地呈现为指数形式。(2)有死区（iD≈0的区域）1．正向特性死区电压约为硅管0.5V锗管0.1VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD上页下页后退模拟电子技术基础(3)有压降导通后（即uD大于死区电压后）管压降uD约为硅管0.6~0.8V锗管0.2~0.3V取管压降uD硅管0.7V锗管0.2VOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD即uD升高，iD急剧增大上页下页后退模拟电子技术基础2．反向特性（1）当时，IS硅管0.1A锗管几十到几百AOiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD上页下页后退模拟电子技术基础(2)当时反向电流急剧增大击穿的类型：根据击穿可逆性分为电击穿热击穿二极管发生反向击穿OiD正向特性击穿电压死区电压U(BR)反向特性uD上页下页后退模拟电子技术基础c.降低反向电压，二极管仍能正常工作。PN结被烧坏，造成二极管的永久性损坏。二极管发生反向击穿后，如果a.功耗PD(=|UDID|)不大。b.PN结的温度小于允许的最高结温硅管150∽20