半导体二极管及其基本应用

P型半导体的结构示意图
综
上：
本征半导体中掺入微量杂质元素构成杂质半导体。 在常温下，杂质原子均已电离，载流子浓度就大大增加， 使半导体的导电能力大大提高。
掺杂是提高半导体导电能力的有效方法。
在杂质半导体中：
多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度；
而少数载流子的浓度主要取决于温度。
杂质半导体小结：
1、两种杂质半导体： N型——本征硅或锗掺微量五价杂质元素 P型——本征硅或锗掺微量三价杂质元素 2、两种浓度不等的载流子： 多子——由掺杂形成（主要取决于掺入的杂质浓度） 少子——由热激发形成（主要取决于温度） N型半导体中，多子为自由电子，少子为空穴； P型半导体中，多子为空穴，少子为自由电子。 3、微量掺杂就可形成大量的多子。故杂质半导体导电率高。 4、杂质半导体呈电中性。 在N型半导体中， 自由电子数（掺杂+热激发）=空穴数（热激发）+正离子数 在P型半导体中， 空穴数（掺杂+热激发）=自由电子数（热激发）+负离子数

载流子的浓度
当温度一定时，激发和复合会达到动态平衡。 这时，载流子的浓度可用公式表示为： 3 EG 0 2 kT 2 1 i i
n ＝p ＝K T e
T为热力学温度,k为玻尔兹曼常数，EG0为热力学零度时破坏共价 键所需的能量，K1为与半导体材料载流子有效质量、有效能级 密度有关的常量
可见本征载流子浓度和温度有关，温度升高，本征载 流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导 体材料，本征载流子浓度是一定的。
反向击穿类型：
电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。
反向击穿原因：
齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (掺杂浓度高，击穿电压 < 6 V，负温度系数) 雪崩击穿： 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。 (掺杂浓度低，击穿电压 > 6 V，正温度系数) 击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。
在一定的温度条件下，
PN结加反向电压时的导电情况
（动画1-5）
由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为
反向饱和电流。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有 较大的正向扩散电流，PN处于导通状态；
PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很
当外加正向电压时：
外电场削弱了内电场 PN结导通 PN结 多子的扩散运动加强
b、 PN结加反向电压时的导电情况
PN结加反向电压时的导电情况
（动画1-5）
当外加反向电压时：
外电场加强了内电场 PN结截止
外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方向相同，加强 了内电场，内电场对 多子扩散运动的阻碍 增强，扩散电流大大 减小。此时PN结区的 少子在内电场的作用 下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略 扩散电流，PN结呈现 PN结加反向电压时的导电情况 高阻性 （动画1-5） PN结 少子的漂移运动进行
本征激发小结：
（1）空穴与电子成对出现。 （2）自由电子在晶格中运动，空穴在共价键内运动。 （3）温度一定时，激发和复合达到动态平衡。 （4）温度升高时，载流子浓度增大，导电能力增强， 因此，本征半导体可以制成热敏元件和光敏元件。
1.1.2 杂质半导体
N型半导体 P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。空间电 荷区也称耗尽层。
PN结的形成过程 在出现了空间电荷区后， 由于正负电荷间的相互作用， 在空间电荷区中形成了一个电场，称为内电场，其方向是 从带正电的N区指向带负电的P区。
4. 学习方法
重点掌握基本概念、基本电路的结构、基本分析方法，在此基础 上拓展知识面，拓宽思路。 抓住“模电”的几个特点，可以事半功倍： 线性要求和非线性器件的矛盾（概念、分析方法） 器件少、电路多（找出各电路之间的规律，可举一反三） 工程估算 ④分立是基础、集成是应用
5. 教材及参考书
教材：胡宴如，《模拟电子技术基础》（第四版）， 高等教育出版社 参考书：康华光主编，《电子技术基础》（模拟部分） （第四版） ， 高等教育出版社
扩散运动：由浓度高到浓度低 （多子的运动） 漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动（少子 的运动） PN结：稳定后的空间电荷区
2、PN结的单向导电性
a、 PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压 时的导电情况
（动画1-4）
外加的正向电压有一部
PN结加正向电压 时的导电情况
（动画1-4）
分降落在PN结区，方向与PN 结内电场方向相反，削弱了 内电场。于是,内电场对多子 扩散运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远大于 漂移电流，可忽略漂移电流 的影响，PN结呈现低阻性。
2、半导体的特殊性质
热敏性:半导体受热时，其导电能力增强。 光敏性:半导体净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能
力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）
二、半导体的导电机理
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
小的反向漂移电流， PN处于截止状态。
结 论：PN结具有单向导电性。
3、PN结的伏安特性及其表达式
根据半导体物理的原理，从理论上可分析得到PN结的
伏安特性表达式：
I I S (e
U
UT
1)
式中IS 在数值上等于反向饱和电流，U为PN结 所加端电压，UT =kT/q 称为温度电压当量，k为玻耳 兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于 室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。
课程教学内容简介
1 常用半导体器件 2 基本放大电路 3 多级放大电路 9 功率放大电路 5 放大电路的频率响应 4 集成运算放大电路 6 放大电路中的反馈 7 信号的运算和处理 8 波形的发生和信号的转换 10 直流电源
要求：
* 认真听讲，有问题及时提出
* 按时独立完成作业，答题须有解题步骤，一周交
自由电子的定向运动 形成了 电子电流 ，空穴的
定向运动形成空穴电流，
它们的方向相反。只不过 空穴的运动是靠相邻共价 键中的价电子依次充填空 穴来实现的。 空穴的移动
（动画1-2）
空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填
空穴来实现的。为了区别于自由电子的运动，就把价
电子的运动虚拟为空穴运动，且运动方向相反。从这
数字电路：处理数字信号的电子电路 数字信号：一种离散的信号（包括时间离散和 幅值离散两种情况）
电子信息系统
模拟电路
信号 提取 信号的 预处理 信号的 加工 信号的驱 动与执行
传感器、 接收器
A/D 转换
计算机或 其它数字 处理系统
D/A 转换
提取出的信号：弱信号、噪声大、易受干扰。 数字电路 预处理：隔离、滤波、阻抗变换、放大。 加 工：运算、转换、比较等。 驱动与执行：功率放大、阻抗匹配、负载驱动。
本征半导体——化学成分纯净的、具有单晶体 结构的半导体。
本征半导体的导电机理
原子由带正电荷的原子核和分层围绕原子核运动的
电子组成。其中处于最外层的电子称为价电子，它受原子 核的束缚力最小。 价电子数决定了物质的化学性质。 半导体的导电性质也与价电子数有关。
惯性核
本征半导体的导电机理 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结
1.1.1 本征半导体
概论 半导体的导电机理 一、 概论
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。
1、定义： 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的物质
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体有 硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
2. 研究内容
以器件为基础、以“放大”为主线，以传递“模拟信号”为目的， 研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。 电子元器件的工作原理（二极管、三极管和集成运放） 基本单元电路－放大器的构成原理及互联 电子电路的分析方法
3. 教学目标
能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单 元电路进行设计。
提供自由电子的五价杂质 原子因带正电荷而成为正 离子，因此五价杂质原子 也称为施主杂质。
(2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、 铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由本征激发形成。
空穴很容易俘获电子，使 杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂 质。
一次作业（每周二交）
* 认真做好试验，充分利用实验来消化、理解课程
的理论内容
课时安排： 总课时：64 学时 其中： 理论课：56学时 实 验：8学时 课程总成绩组成： 期末考85％＋实验成绩15％ 考试方式：闭卷
1.1 半导体基础知识
1.2 半导体二极管
1.3 晶体三极管 1.4 场效应管
1.1 半导体基础知识
主讲：XXX
（邵阳学院电气工程系） 办公室： 电 话: E-mail:
导言
1. 本课程的性质
是一门技术基础课
工程性质、 实践性很强
2. 研究内容
模拟电子电路
处理模拟信号的电子电路称为模拟电路 什么是模拟信号？
模拟信号：时间连续、数值连续的信号
模拟信号举例：
u
0
u t
0
t
u
u
0
t
0