模拟电路备课笔记 - 半导体二极管及其基本电路

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半导体二极管及其基本电路

半导体的基本知识 半导体材料

1．半导体：

导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 2．常用的半导体材料有：

元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等； 化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等； 掺杂半导体，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。 3．半导体的特点：

导电能力介于导体与绝缘体之间

受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。 在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。

半导体的共价键结构

Si、Ge是四价元素，最外层原子轨道上有四个价电子，邻近原子之间由共价键联结，具有晶体结构。

本征半导体、空穴及其导电作用

1．本征半导体：

一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 2．本征激发：

T=0K以上，价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。

3．空穴：

本征激发价电子成为自由电子后，共价键上留下的空位。

空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，和自由电子一样可以参加导电。

邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，使共Add:Ganjiang East Road 178#,Suzhou Jiangsu Province China Mobile: 13814893236 P.C.: 215021 QQ: 249059266 Email:admin@sudanw.com Website:http://www.sudanw.com

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价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。

空穴也是一种载流子，这种载流子的运动，是人们根据共价键中出现空穴的移动而虚拟出来的。

本征半导体中的自由电子和空穴数相等。

杂质半导体

1．P型半导体：

在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼、铟，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴。

P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生）。

当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，半导体呈中性。

2．N型半导体：

在硅或锗的晶体中掺入五价元素，如磷、砷、锑，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键，多余的一个价电子在室温下就可以成为自由电子。杂质原子变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。

在N型半导体中多数载流子是电子，空穴为少数载流子。

PN结的形成及其特性

PN结的形成

在同一块半导体中，一边掺杂成N型，另一边掺杂成P型，在N型、P型半导体的交界面上形成PN结。

→ P区和N区载流子多子浓度差引起多子向对方扩散

P区留下了带负电的杂质离子,N区留下了带正电的杂质离子，集中在P和N区交界面附近。

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→ 扩散产生空间电荷区（耗尽区）和内电场（从带正电的N区指向带负电的P区）。 →内电场阻止扩散，促使少子漂移，漂移运动使空间电荷区变窄。 →内电场削弱，扩散加强

→扩散与漂移达到动态平衡形成PN结。

接触电位差：PN结空间电荷区的N区的电位要比P区高，其差值用Vo表示。

PN结的单向导电性

1. PN结正偏：

→外加正向电压（P区接正极、N区接负极）

外加电场与PN结内电场方向相反，VF称为正向电压。

P区中的多数载流子空穴向PN结移动，和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。

N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少。 →空间电荷区变窄，内电场减弱 →扩散大于漂移

→多子扩散形成大的正向电流IF。 当外加电压VF稍有变化（如0.1V），便能引起电流的显著变化。

由少数载流了形成的漂移电流，方向与扩散电流相反，其数值很小，可忽略不计。

图3.2.1 PN结正偏 图3.2.2 PN结反偏

2. PN结反偏

→外加反向电压（P区接负、N区接正） 电场方向与PN结内电场方向相同，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结。 →空间电荷区变宽，内电场增强 Add:Ganjiang East Road 178#,Suzhou Jiangsu Province China Mobile: 13814893236 P.C.: 215021 QQ: 249059266 Email:admin@sudanw.com Website:http://www.sudanw.com

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多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。 →漂移大于扩散

→少子漂移形成很小的反向电流IR（一般为微安数量级） IR几乎与外加电压VR无关。

在一定温度T下，热激发产生的少数载流子数一定，电流值趋于恒定。这时的反向电流IR就是反向饱和电流，用Is表示。Is受温度的影响较大。

PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性。

3. PN结的伏安特性

vD 图3.2-3 半导体二极管的伏安特性

iD?Is(enVT?1)

VT为温度的电压当量=kT/q，其中k为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K），T为热力学温度即绝对温度，q为电子电荷（1.6×10–19C），n=1～2，为发射系数，与PN结尺寸、材料和通过的电流有关。在T=300K时，VT≈26mV。

正向当vD＞0，且vD＞VT时，iD?IsevDnVT；反向当vD＜0，且|vD|?VT时，iD≈–IS≈0。

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