半导体基础知识及二极管电路.pptx

内容提要内容提要半导体材料的基本物理特性及半导体材料的基本物理特性及PNPN结原理；结原理；半导体二极管的结构及工作特性；半导体二极管的结构及工作特性；几种特殊二极管；几种特殊二极管；二极管基本应用电路及其分析方二极管基本应用电路及其分析方法。法。1.正确理解以下基本概念正确理解以下基本概念 半导体半导体导电载流子导电载流子；PN结及二极管的结及二极管的单向导电性单向导电性。基本要求基本要求2.熟练掌握熟练掌握 二极管的外特性（数学描述）二极管的外特性（数学描述）（VA特性曲线及方程特性曲线及方程）；）；二极管的二极管的电路模型电路模型。3.熟悉熟悉 二极管的二极管的主要参主要参 数数。物质的分类物质的分类导体导体(电阻率小于电阻率小于 )绝缘体绝缘体(电阻率大于电阻率大于 )半导体（电阻率介于两者之半导体（电阻率介于两者之间）间）典型的半导体：如典型的半导体：如硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等等按照导电能按照导电能力的差别，力的差别，可以将物质可以将物质分为：分为：半导体的独特性质：电阻率可因某些外半导体的独特性质：电阻率可因某些外界因素的改变而明显变化界因素的改变而明显变化掺杂特性掺杂特性热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性注意：决定物质导注意：决定物质导电性能的因素？电性能的因素？第第第第一一一一节节节节 半半半半导导导导体体体体的的的的基基基基本本本本特特特特性性性性现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。简化模型简化模型SiGe第第第第一一一一节节节节 半半半半导导导导体体体体的的的的基基基基本本本本特特特特性性性性1.1.1 本征半导体本征半导体一一.结构特点结构特点通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，在硅和锗晶体中，每个原子附近有四个每个原子附近有四个邻近原子，彼此之间邻近原子，彼此之间由价电子联系起来，由价电子联系起来，形成形成共价键共价键，共用一，共用一对价电子。对价电子。1.1.1 本本征征半半导导体体一一.结构特点结构特点硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子1.1.1 本本征征半半导导体体一一.结构特点结构特点共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键，常温下束缚电子很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成的最外层电子是八个，构成稳定结构。稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。特点：特点：+4+4+4+41.1.1 本本征征半半导导体体一一.结构特点结构特点在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它），它的导电能力为的导电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，称，同时共价键上留下一个空位，称为为空穴空穴。1.1.1 本本征征半半导导体体二二.导电机理导电机理+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子1.1.1 本本征征半半导导体体二二.导电机理导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即即自由电子自由电子和和空穴空穴。1.1.1 本本征征半半导导体体二二.导电机理导电机理本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴（价电子）移动产生的电流。空穴（价电子）移动产生的电流。本征半导体有两种载流子：本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴自由电子和空穴。导电能力取决于载流子的浓度。导电能力取决于载流子的浓度。1.1.1 本本征征半半导导体体二二.导电机理导电机理本征半导体中载流子的浓度：本征半导体中载流子的浓度：1.1.1 本本征征半半导导体体二二.导电机理导电机理 在本征半导体中掺入某些微量的杂在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。变化。掺入微量的掺入微量的+5+5价价元素（磷元素（磷P P）的半导体。）的半导体。第第第第一一一一节节节节 半半半半导导导导体体体体的的的的基基基基本本本本特特特特性性性性1.1.2 杂质半导体杂质半导体一一.N型半导体型半导体增加载流子的数量增加载流子的数量提高导电率提高导电率注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结构。构。施主原子施主原子N型型半导体结构示意图半导体结构示意图1.1.2 杂杂质质半半导导体体一一.N型半导体型半导体不能导电不能导电N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子自由电子称为称为多数多数载流子载流子（多子多子），），空穴空穴称为称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。1.1.2 杂杂质质半半导导体体一一.N型半导体型半导体掺入微量的掺入微量的+3价价元素（硼元素（硼B）的半导体）的半导体P型型半导体结构示意图半导体结构示意图受主原子受主原子1.1.2 杂杂质质半半导导体体二二.P型半导体型半导体不能导电不能导电可以认为空穴带一个单位的正电荷，并可以认为空穴带一个单位的正电荷，并且可以移动。且可以移动。P 型半导体中型半导体中空穴空穴是是多子多子，电子电子是是少子少子。1.1.2 杂杂质质半半导导体体二二.P型半导体型半导体小结小结杂质杂质原子原子多子多子N型半导体型半导体+5价价施主原子（正离子正离子）电子电子P型半导体型半导体+3价价受主原子（负离子负离子）空穴空穴1.1.2 杂杂质质半半导导体体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是是多子多子。可。可近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2 杂杂质质半半导导体体三三.杂质杂质半导体的性质半导体的性质在杂质半导体中：在杂质半导体中：多子的浓度主要取决于掺入的多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度杂质浓度少子的浓度主要取决于少子的浓度主要取决于温度。温度。存在着存在着自由电子自由电子、空穴空穴和和杂质离子杂质离子三三种种带电带电粒子；粒子；1.1.2 杂杂质质半半导导体体三三.杂质杂质半导体的性质半导体的性质+-N N型半导体的型半导体的简化表示法简化表示法P P型半导体的型半导体的简化表示法简化表示法 掺杂半导体处于平衡状态时，其载流子掺杂半导体处于平衡状态时，其载流子浓度满足如下关系：浓度满足如下关系：p0平衡空穴浓度；平衡空穴浓度；n0平衡电子浓度平衡电子浓度;ni本征电子浓度。本征电子浓度。1.1.2 杂杂质质半半导导体体半导体杂质的补偿原理半导体杂质的补偿原理1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂漂移移，如图（，如图（A）所示。）所示。（A）电场作用下的漂移运动）电场作用下的漂移运动1.1.2 杂杂质质半半导导体体四四.载流子的漂移和扩散载流子的漂移和扩散运动运动当无外加电场作用时，半导体中的载流子当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电特性。做不规则热运动，对外不呈现电特性。2、载流子由浓度高流向浓度低的运动称为、载流子由浓度高流向浓度低的运动称为扩扩散散，如图（，如图（B）所示。）所示。（B）扩散示意图）扩散示意图1.1.2 杂杂质质半半导导体体四四.载流子的漂移和扩散载流子的漂移和扩散运动运动 在同一块本征半导体基片上，在同一块本征半导体基片上，两侧分别两侧分别掺入施主杂质掺入施主杂质和和受主杂质受主杂质制成制成N型半导体和型半导体和P型半导体。则型半导体。则在两半导体的结合面上形成如下物在两半导体的结合面上形成如下物理过程理过程:第第第第二二二二节节节节 半半半半导导导导体体体体二二二二极极极极管管管管的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理及及及及特特特特性性性性1.2.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性一一.PN结的形成结的形成一一.PN结的形成结的形成1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性+-阻挡层阻挡层(势垒势垒层层)：阻挡多：阻挡多子的扩散运子的扩散运动，但引起动，但引起少子的漂移少子的漂移运动运动空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场扩散扩散+-漂移漂移耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层高阻区高阻区一一.PN结的形成结的形成1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场扩散扩散+-漂移漂移耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层高阻区高阻区一一.PN结的形成结的形成1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性多子的扩散运动多子的扩散运动形成形成扩散电流扩散电流，并并增加增加空间电荷空间电荷区的宽度。区的宽度。少子的漂移运动少子的漂移运动形成形成漂移电流漂移电流，并并减小减小空间电荷空间电荷区的宽度。区的宽度。当两种运动到达当两种运动到达平衡时平衡时，空间电，空间电荷区的荷区的宽度宽度也达也达到到稳定。稳定。空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场扩散扩散+-漂移漂移耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层高阻区高阻区一一.PN结的形成结的形成1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性动态平衡时交界动态平衡时交界面两侧的空间电面两侧的空间电荷量、空间电荷荷量、空间电荷区宽度、内建电区宽度、内建电场等参量均为常场等参量均为常数，且与半导体数，且与半导体材料、掺杂浓度、材料、掺杂浓度、温度有关温度有关.耗尽层为高阻区，耗尽层为高阻区，空间电荷区以外空间电荷区以外的区域为低阻区的区域为低阻区.因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性PN结形成过程的总结结形成过程的总结接触电位差接触电位差：阻：阻挡多子的扩散运挡多子的扩散运动，又称为动，又称为“电电位势垒位势垒”或或“势势垒垒”势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度低势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度低的一侧的一侧.1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性接触电位差与势垒宽度接触电位差与势垒宽度空间电荷区空间电荷区内建电场内建电场+-P PN N+-内电场内电场外电场外电场势垒区的势垒区的电位差减小电位差减小阻挡层内阻挡层内的合成电场的合成电场减小减小空间电荷空间电荷总量减小总量减小空间电荷空间电荷区变窄区变窄1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性二二.PN结的单向导电性结的单向导电性1、PN结加正向电压结加正向电压(正向偏置正向偏置)P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。P PN N+-内电场内电场外电场外电场1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性二二.PN结的单向导电性结的单向导电性1、PN结加正向电压结加正向电压(正向偏置正向偏置)正向电流正向电流If加正向电压时（加正向电压时（导通导通）扩散电流加扩散电流加大；大；漂移电流基漂移电流基本不变；本不变；正向电流的正向电流的方向为由方向为由P区至区至N区，区，且随外加正且随外加正向电压增加向电压增加而增加。而增加。P PN N+-内电场内电场外电场外电场势垒区的势垒区的电位差增加电位差增加阻挡层内阻挡层内的合成电的合成电场增加场增加空间电荷空间电荷总量增加总量增加空间电空间电荷区变厚荷区变厚1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性二二.PN结的单向导电性结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）结加反向电压（反向偏置）P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。P PN N+-1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性二二.PN结的单向导电性结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）结加反向电压（反向偏置）反向电流反向电流Is加反向电压时（截止）加反向电压时（截止）内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小电流很小.在一定的温度条件下，由本征激发在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反反向饱和电流向饱和电流，对温度变化非常敏感。，对温度变化非常敏感。1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性二二.PN结的单向导电性结的单向导电性2、PN结加反向电压（反向偏置）结加反向电压（反向偏置）PN结加结加正向正向电压时，呈现电压时，呈现低电阻低电阻，具有具有较大较大的正向扩散电流，且正向电流的正向扩散电流，且正向电流随正向电压的大小急剧改变；随正向电压的大小急剧改变；PN结加结加反向反向电压时，呈现电压时，呈现高电阻高电阻，具有具有很小很小的反向漂移电流，且反向电流的反向漂移电流，且反向电流基本不随反向电压的大小变化。基本不随反向电压的大小变化。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。二二.PN结的单向导电性结的单向导电性1.2.1 PN结结及及其其单单向向导导电电性性电路符号电路符号第第第第二二二二节节节节 半半半半导导导导体体体体二二二二极极极极管管管管的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理及及及及特特特特性性性性1.2.2 二极管的二极管的结构与类型结构与类型(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图结面积小，结结面积小，结电容小，用于电容小，用于检波和变频等检波和变频等高频高频电路。电路。一一.点接触型二极管点接触型二极管1.2.2二二极极管管的的结结构构与与类类型型(b)(b)面接触型面接触型 PN结面积大，结面积大，用于工频大电用于工频大电流整流电路。流整流电路。二二.面接触型二极管面接触型二极管1.2.2二二极极管管的的结结构构与与类类型型(c)(c)平面型平面型 往往用于集成电往往用于集成电路制造工艺中。路制造工艺中。PN 结结面积可大可小，用于高面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。频整流和开关电路中。三三.平面型二极管平面型二极管1.2.2二二极极管管的的结结构构与与类类型型温度电压当量。当在室温条件下温度电压当量。当在室温条件下T=300KT=300K时，约为时，约为26mV26mV：外接电压：外接电压：反向饱和电流：反向饱和电流1.2.3 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第第第第二二二二节节节节 半半半半导导导导体体体体二二二二极极极极管管管管的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理及及及及特特特特性性性性一一.二极管电流方程二极管电流方程温度电压当量。当在室温条件下温度电压当量。当在室温条件下T=300KT=300K时，约为时，约为26mV26mV：外接电压：外接电压：反向饱和电流：反向饱和电流若为正偏且若为正偏且 ，则有，则有若为反偏且若为反偏且 ，则有，则有1.2.3 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第第第第二二二二节节节节 半半半半导导导导体体体体二二二二极极极极管管管管的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理及及及及特特特特性性性性一一.二极管电流方程二极管电流方程应了解二极管理想特性与实际特性之应了解二极管理想特性与实际特性之间的区别间的区别理想特性理想特性实际特性实际特性1.2.3 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第第第第二二二二节节节节 半半半半导导导导体体体体二二二二极极极极管管管管的的的的工工工工作作作作原原原原理理理理及及及及特特特特性性性性一一.二极管电流方程二极管电流方程正向工作正向工作区区阈值电压阈值电压 的含义的含义反向工作反向工作区区反向击穿反向击穿区区反向击穿电反向击穿电压压二二.二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3二二极极管管的的伏伏安安特特性性V(BR)锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性二二.二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3二二极极管管的的伏伏安安特特性性材料材料开启电压开启电压Vth导通电压导通电压V反向饱和电流反向饱和电流Is硅硅(Si)0.5v0.60.8vT，vc(0)=01、二极管二极管与与门门vI1vI2D1D2vo0V0V导通导通导通导通0V（0.7)0V5V导通导通截止截止0V（0.7)5V0V截止截止导通导通0V（0.7)5V5V截止截止截止截止5VRL五五.二极管开关电路二极管开关电路1.3.3二二极极管管模模拟拟电电路路1、二极管二极管与与门门vI1vI2D1D2vo0V0V导通导通导通导通0V（0.7)0V5V导通导通截止截止0V（0.7)5V0V截止截止导通导通0V（0.7)5V5V截止截止截止截止5V五五.二极管开关电路二极管开关电路1.3.3二二极极管管模模拟拟电电路路当输入电压中只要有一个为低电平，则当输入电压中只要有一个为低电平，则输出为低电平；只有当所有输入电压均输出为低电平；只有当所有输入电压均为高电平时，输出才为高电平。为高电平时，输出才为高电平。2、二极管二极管或或或或门门vI1vI2D1D2vo0V0V截止截止截止截止0V0V5V截止截止导通导通5V（4.3)5V0V导通导通截止截止5V（4.3)5V5V导通导通导通导通5V（4.3)五五.二极管开关电路二极管开关电路1.3.3二二极极管管模模拟拟电电路路2、二极管二极管或或或或门门vI1vI2D1D2vo0V0V截止截止截止截止0V0V5V截止截止导通导通5V（4.3)5V0V导通导通截止截止5V（4.3)5V5V导通导通导通导通5V（4.3)五五.二极管开关电路二极管开关电路1.3.3二二极极管管模模拟拟电电路路当输入电压中只要有一个为高电平，当输入电压中只要有一个为高电平，则输出为高电平；只有当所有输入电则输出为高电平；只有当所有输入电压均为低电平时，输出才为低电平压均为低电平时，输出才为低电平.二极管的应用举例二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo作业1.1.2 1.2.2 1.2.4 1.3.2(c)1.3.5 1.3.8 思考思考1.2.3 1.3.3 1.3.6 1.3.7