电路与模拟电子技术基础(第2版)[查丽斌]第五章 半导体二极管及

第5章 半导体二极管及直流稳压电源

第5章 半导体二极管及直流稳压电源 5.1 半导体的基础知识

5.2 半导体二极管 5.3 晶体二极管电路的分析方法

5.4 晶体二极管的应用及直流稳压电源 5.5 半导体器件型号命名及方法

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5.1 半导体的基础知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分，可分为： 导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等

2. 绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等 3. 半导体： 半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定 条件下可导电。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元 件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二 极管、三极管属于此类。

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5.1.1 本征半导体 1. 本征半导体——纯净的晶体结构的半导体。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”。电子技术中用的最多的是硅和锗。无杂质 稳定的结构

硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个称为价 电子。 其简化原子结构模型如下图：

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2.本征半导体的共价键结构本征晶体中各原 子之间靠得很近，使原 分属于各原子的四个价 电子同时受到相邻原子 的吸引，分别与周围的 四个原子的价电子形成 共价键。共价键中的价 电子为这些原子所共有， 并为它们所束缚，在空 间形成排列有序的晶体。 如图所示：+4 +4 +4

两个电子 的共价键

+4

+4

+4

正离子芯+4 +4 +4

4

3.本征半导体中的两种载流子+4 +4 +4

由于热运动，具有足够能量的价电子 挣脱共价键的束缚而成为自由电子 这一现象称为本征激发，也称热激发。

+4

+4

+4

自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失， 称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度 一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价 键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度 加大。

+4

+4

+4

由于随机热振动致使共价键 被打破而产生空穴-电子对 动态平衡

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空穴的移动 由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻 近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个 电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转 移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁 移—电流。 电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方 向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于 共价键中出现了空穴。

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空穴的移动

+4

+4

+4自由电子

空穴的运动实质

上是价电 子填补空穴而形成的。

+4

+4

+4空穴

+4

+4

+4

空穴的运动

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5.1.2 杂质半导体1. N型半导体 多数载流子

+4

+4

+4

空穴比未加杂质时的数目多了？少 了？为什么？ 杂质半导体主要靠多数载流子导 电。掺入杂质越多，多子浓度越高， 导电性越强，实现导电性可控。 磷(P) 施主杂质

+4

+5

+4

+4

+4

+4

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是 少数载流子, 由热激发形成。

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5.1.2 杂质半导体N型半导体的结构示意图如图所示：

施主正离子自由电子

所以，N型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子—多数载流子(由两部分组成) 空穴——少数载流子

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2. P型半导体多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺 入杂质越多，空穴浓度越高，导电 性越强， 3

在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？ 在P型半导体中空穴是多数载流 子，它主要由掺杂形成；自由电 子是少数载流子， 由热激发形成。

硼(B)

受主杂质

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2. P型半导体P型半导体的结构示意图如图所示： 受主负离子 空穴

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，由热激发形成。

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本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体 施主杂质、受主杂质 N型半导体、P型半导体

自由电子、空穴 多数载流子、少数载流子

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1. 在杂质半导体中多子的数量与 a (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b(a. 掺杂浓度、b.温度)有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ,N 型半导体中的电流主要是 a 。

(a. 电子电流、b.空穴电流)

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14.2 PN结15.2.1 PN结的形成

空间电荷区也称 PN 结少子的漂移运动

内电场越强，漂移运 动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。

P 型半导体- - - - - -- - - - - - - - - - - -动画

内电场 N 型半导体+ + + + + + + + + + + ++ + + + + +

- - - - - -

+ + + + + +

扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。

浓度差 形成空间电荷区

多子的扩散运动 扩散的结果使 空间电荷区变宽。

14.2.2 PN结的单向导电性1. PN 结加正向电压(正向偏置)

P接正、N接负动画

PN 结变窄--- - - - --- - - - --- - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + +

P

IF

+

–

内电场 外电场

N

内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。

PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，

PN结处于导通状态。15