半导体与半导体二极管

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发布时间 2009-06-04

第一节  学习要求

(1)了解半导体器件中扩散与漂移的概念、PN结形成的原理。

(2)掌握半导体二极管的单向导电特性和伏安特性。

(3)掌握二极管基本电路及其分析方法。

(4)熟悉硅稳压管的稳压原理和主要参数。

第二节 半导体的基本知识

  多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制成的。为了从电路的观点理解这些器件的性能,首先必须从物理的角度了解它们是如何工作的。

一、半导体材料

  从导电性能上看,物质材料可分为三大类:

  导体: 电阻率ρ < 10-4 Ω·cm

  绝缘体:电阻率ρ > 109 Ω·cm

  半导体:电阻率ρ介于前两者之间。

  目前制造半导体器件的材料用得最多的有:硅和锗两种

二、本征半导体及本征激发

1、本征半导体

  没有杂质和缺陷的半导体单晶,叫做本征半导体。

2、本征激发

  当温度升高时,电子吸收能量摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程,称为本征激发。

三、杂质半导体

  在本征半导体中掺入微量的杂质, 就会使半导体的导电性能发生显著的变化。因掺入杂质不同,杂质半导体可分为空穴(P)型半导体和电子(N)型半导体两大类。

1、P型半导体

  在本征半导体中掺入少量的三价元素杂质就形成P型半导体,P型半导体的多数载流子是空穴,少数载流子是电子。

      半导体与半导体二极管                   

2、N型半导体

  在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N型半导体。N型半导体的多数载流子是电子,少数载流子是空穴。

      半导体与半导体二极管

第三节 PN结的形成及特性

一、PN结及其形成过程 

  在杂质半导体中, 正负电荷数是相等的,它们的作用相互抵消,因此保持电中性。

1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动

  在P型半导体和N型半导体结合后,在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差,N型区内的电子很多而空穴很少,P型区内的空穴很多而电子很少,这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散,因此,有些电子要从N型区向P型区扩散, 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区

  电子和空穴带有相反的电荷,它们在扩散过程中要产生复合(中和),结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子,N区失去电子留下带正电的离子,这些离子因物质结构的关系,它们不能移动,因此称为空间电荷,它们集中在P区和N区的交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是所谓的PN结。

3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动

  在空间电荷区后,由于正负电荷之间的相互作用,在空间电荷区中形成一个电场,其方向从带正电的N区指向带负电的P区,由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的,故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同,与空穴的扩散方向相反,所以它是阻止载流子的扩散运动的。

半导体与半导体二极管                      

  综上所述,PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的扩散运动;另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此,只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时,空间电荷区的宽度和 内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反,因而在无外电场或其他因素激励时,PN结中无宏观电流。

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