第3章晶体二极管及其基本电路(new)讲义.ppt

第 3章 半导体二极管及其基本电路;;3.1.1 半导体材料;半导体的特点: 1.半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2.半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。 3.在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。 目前用来制造电子器件的半导体材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。 由半导体材料做成的器件具有体积小、重量轻、寿命长、输入功率小和功率转换效率高等特点，所以广泛应用于现代技术当中。 ;3.1.2 半导体的共价键结构 要理解半导体材料的特性，就必须从半导体的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出价电子的作用，我们采用图3–1所示的简化原子结构模型。 ; 在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。 图3–3是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。 ;图3–2单晶硅和锗的共价键结构示意图 ;3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用; （1）稳定——在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。 （2）本征激发——当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。 （3）空穴形成——与此同时在共价键内出现空位，如图3–3所示。空穴出现是半导体和导体的重要区别。 ;图3–3本征激发产生电子和空穴;（4）空穴移动——出现空穴，临近价电子就填补这个空位，周而复始的电荷迁移形成电流。 （5）平衡——在本征半导体中，由于本征激发，产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。; ;两种载流子;3.1.4 杂质半导体:;空穴 ：多数载流子（多子）;电子为多数载流子（多子）; 在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。 杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: ; T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3; 由以上分析可知，本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂浓度可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，由于ni的变化，会使少子浓度有明显变化。 ;4、半导体中的电流 了解了半导体中的载流子情况之后，我们来讨论它的电流。在半导体中有两种电流。 （1）漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。 ; 半导体中有两种载流子——电子和空穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In ，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip 。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。 ;（2）扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即