1、第第一章一章 晶體二極管及其應用晶體二極管及其應用半導體的特性半導體的特性本征半導體本征半導體雜質半導體雜質半導體 何謂半導體何謂半導體物體分類物體分類導體導體 導電率為導電率為10105 5s.cms.cm-1-1，量級，如金屬量級，如金屬絕緣體絕緣體 導電率為導電率為1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量級，量級，如：橡膠、云母、塑料等。如：橡膠、云母、塑料等。 導電能力介于導體和絕緣體之間。導電能力介于導體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導體半導體 半導體特性半導體特性摻入雜質則導電率增加幾百倍摻入雜質則導電率增加幾百倍摻雜

2、特性摻雜特性半導體器件半導體器件溫度增加使導電率大為增加溫度增加使導電率大為增加溫度特性溫度特性熱敏器件熱敏器件光照不僅使導電率大為增加還可以產生電動勢光照不僅使導電率大為增加還可以產生電動勢光照特性光照特性光敏器件光敏器件光電器件光電器件本征半導體本征半導體完全純凈、結構完整的半導體晶體。完全純凈、結構完整的半導體晶體。純度：純度：99.9999999%，“九個九個9”它在物理結構上呈單晶體形態。它在物理結構上呈單晶體形態。常用的本征半導體常用的本征半導體Si+142 8 4Ge+322 8 18 4+4 本征半導體的原子結構和共價鍵本征半導體的原子結構和共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+

3、4+4共價鍵內的電子共價鍵內的電子稱為稱為束縛電子束縛電子價帶價帶導帶導帶掙脫原子核束縛的電子掙脫原子核束縛的電子稱為稱為自由電子自由電子價帶中留下的空位價帶中留下的空位稱為稱為空穴空穴禁帶禁帶EG外電場外電場E自由電子定向移動自由電子定向移動形成形成電子流電子流束縛電子填補空穴的束縛電子填補空穴的定向移動形成定向移動形成空穴流空穴流121. 本征半導體中有兩種載流子本征半導體中有兩種載流子 自由電子和空穴自由電子和空穴它們是成對出現的它們是成對出現的2. 在外電場的作用下，產生電流在外電場的作用下，產生電流 電子流和空穴流電子流和空穴流電子流電子流自由電子作定向運動形成的自由電子作定向運動形

4、成的與外電場方向相反與外電場方向相反自由電子始終在導帶內運動自由電子始終在導帶內運動空穴流空穴流價電子遞補空穴形成的價電子遞補空穴形成的與外電場方向相同與外電場方向相同始終在價帶內運動始終在價帶內運動由此我們可以看出：由此我們可以看出： 本征半導體的載流子的濃度本征半導體的載流子的濃度電子濃度電子濃度n ni i : :表示單位體積的自由電子數表示單位體積的自由電子數空穴濃度空穴濃度p pi i : :表示單位體積的空穴數表示單位體積的空穴數。/2KTE23oiiGeTApnA A0 0與材料有關的常數與材料有關的常數E EG G禁帶寬度禁帶寬度T T絕對溫度絕對溫度K K玻爾曼常數玻爾曼常數

5、結論結論1. 本征半導體中本征半導體中 電子濃度電子濃度n ni i = = 空穴濃度空穴濃度p pi i 2. 載流子的濃度與載流子的濃度與T、EG有關有關 載流子的產生與復合載流子的產生與復合g g載流子的產生率載流子的產生率 即每秒成對產生的電子空穴的濃度。即每秒成對產生的電子空穴的濃度。R R載流子的復合率載流子的復合率 即每秒成對產生的電子空穴的濃度。即每秒成對產生的電子空穴的濃度。當達到動態平衡時當達到動態平衡時 g=Rg=R R = r nR = r ni ip pi i 其中其中r r復合系數，與材料有關復合系數，與材料有關雜質半導體雜質半導體摻入雜質的本征半導體。摻入雜質的本

6、征半導體。摻雜后半導體的導電率大為提高摻雜后半導體的導電率大為提高摻入的三價元素如摻入的三價元素如B、Al、In等，等，形成形成P型半導體，也稱空穴型半導體型半導體，也稱空穴型半導體摻入的五價元素如摻入的五價元素如P、Se等，等，形成形成N型半導體，也稱電子型半導體型半導體，也稱電子型半導體 N型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半導體中摻入的五價元素如在本征半導體中摻入的五價元素如P。價帶價帶導帶導帶+施主施主能級能級自由電子是多子自由電子是多子空穴是少子空穴是少子雜質原子提供雜質原子提供由熱激發形成由熱激發形成由于五價元素很容易貢獻電由于五價元素很容易貢獻電子

7、，因此將其稱為子，因此將其稱為施主雜質。施主雜質。施主雜質因提供自由電子而施主雜質因提供自由電子而帶正電荷成為帶正電荷成為正離子正離子 P型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半導體中摻入的三價元素如在本征半導體中摻入的三價元素如B。價帶價帶導帶導帶-受主受主能級能級自由電子是少子自由電子是少子空穴是多子空穴是多子雜質原子提供雜質原子提供由熱激發形成由熱激發形成因留下的空穴很容易俘獲因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為電子，使雜質原子成為負負離子。離子。三價雜質三價雜質 因而也因而也稱為稱為受主雜質受主雜質。 雜質半導體的載流子濃度雜質半導體的載流子濃度因摻雜

8、的濃度很小，可近似認為載流子的產生率因摻雜的濃度很小，可近似認為載流子的產生率g與與復合系數保持不變，即存在如下關系復合系數保持不變，即存在如下關系n p = ni pi= ni2N型半導體：型半導體：nnND（施主雜質的濃度（施主雜質的濃度ni）NnnnDini22pn=(pi）np=(UT)TUUSeII SIIPN結兩端的電壓與結兩端的電壓與流過流過PN結電流的關系式結電流的關系式 勢壘電容勢壘電容CB 勢壘電容是由空間電荷區的離子薄層形成的。當外加勢壘電容是由空間電荷區的離子薄層形成的。當外加電壓使電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也

9、相應地隨之改變，這相當隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。電容的充放電。 擴散電容是由多子擴散后，在擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而結的另一側面積累而形成的。因形成的。因PN結正偏時，由結正偏時，由N區擴散到區擴散到P區的電子，與外電區的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在堆積在 P 區內緊靠區內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。分布曲線。 擴散電容擴散電容CD 當外加正向電壓當外加正

10、向電壓不同時，擴散電流即不同時，擴散電流即外電路電流的大小也外電路電流的大小也就不同。所以就不同。所以PN結兩結兩側堆積的多子的濃度側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這梯度分布也不同，這就相當電容的充放電就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電散電容均是非線性電容。容。反向擊穿反向擊穿PN結上所加的反向電壓達到某一數值時，反向電結上所加的反向電壓達到某一數值時，反向電流激增的現象流激增的現象 雪崩擊穿雪崩擊穿 當反向電壓增高時，當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區與原子發生碰撞，產生碰撞電離。在空間電荷區與原子發生碰撞，產生

11、碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增 齊納擊穿齊納擊穿當反向電壓較大時，當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子電子拉出來，形成大量載流子, ,使反向電流使反向電流激激增。增。擊穿是可逆。擊穿是可逆。摻雜濃度摻雜濃度小小的的二極管容易發生二極管容易發生擊穿是可逆。擊穿是可逆。摻雜濃度摻雜濃度大大的的二極管容易發生二極管容易發生不可逆擊穿不可逆擊穿 熱擊穿熱擊穿 PN結的電流或電壓較大，使結的電流或電壓較大，使PN結耗散功率超過極限值，使結溫結耗散功率超過極限值，使結溫升高，導致升高，導致PN結

12、過熱而燒毀結過熱而燒毀 晶體晶體二極管的結構類型二極管的結構類型在在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管結上加上引線和封裝，就成為一個二極管二極管按結構分二極管按結構分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型PN結面積小，結電容小，結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路用于檢波和變頻等高頻電路PN結面積大，用結面積大，用于工頻大電流整流電路于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。往往用于集成電路制造工藝中。PN 結面積結面積可大可小可大可小，用于高頻整流和開關電路中。用于高頻整流和開關電路中。 晶體晶體二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指二極管兩是指二極管兩端電壓端電壓和

13、流過二極管和流過二極管電流電流之間的關系。之間的關系。由由PN結電流方程求出理想的伏安特性曲線結電流方程求出理想的伏安特性曲線IU1.1.當加正向電壓時當加正向電壓時PN結電流方程為：結電流方程為：1)(eIITUUS2.2.當加反向電壓時當加反向電壓時TUUSeII I 隨隨U，呈指數規率，呈指數規率I = - Is 基本不變基本不變 晶體晶體二極管的伏安特性二極管的伏安特性1 1. .正向起始部分存在一正向起始部分存在一個死區或門坎，稱個死區或門坎，稱為為門限電壓門限電壓。 硅：硅：UrUr=0.5-0.6v; =0.5-0.6v; 鍺：鍺：UrUr=0.1-0.2v=0.1-0.2v2.

14、2.加反向電壓時，反向加反向電壓時，反向電流很小電流很小 即即Is硅硅(nA)0.7V時，二極管導通，導通后，時，二極管導通，導通后，UD=0.7V鍺管：當鍺管：當UD0.3V時，二極管導通，導通后，時，二極管導通，導通后，UD=0.3V 穩壓管是一種應用很廣的特殊類型的二極管，工作區在穩壓管是一種應用很廣的特殊類型的二極管，工作區在反向擊穿區。可以提供一個穩定的電壓。使用時注意加限反向擊穿區。可以提供一個穩定的電壓。使用時注意加限流電阻。流電阻。 晶體二極管基本用途是整流穩壓和限幅。晶體二極管基本用途是整流穩壓和限幅。 半導體光電器件分光敏器件和發光器件，可實現光半導體光電器件分光敏器件和發光器件，可實現光電、電、電電光轉換。光電二極管應在反壓下工作，而發光二極管光轉換。光電二極管應在反壓下工作，而發光二極管應在正偏電壓下工作。應在正偏電壓下工作。小小 結