武汉大学物理科学与技术学院 第一章 半导体器件的特性 武汉大学物理科学与技术学院 §1.1 PN结 本征半导体的导电特性 导体：
=10 9 Ω.cm， 如：惰性气体、橡胶等 半导体：导电性介于导体与绝缘体之间，可调控(电场、 掺杂、光照)。如硅（Si），锗(Ge)，砷化镓(GaAs)等。 本征半导体：纯净的(不含杂质)的且(晶格)结构完整的半 导体晶体。 在近代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们 都是四价元素，原子最外层有4个价电子。 武汉大学物理科学与技术学院 14 32 4 4 惯性核 价电子 硅 锗 武汉大学物理科学与技术学院 室温下，由于热能作用，共价键中的电子获得能量，一部 分电子克服共价键的束缚成为自由电子。 同时，原共价键处留下一个空位，称为空穴。 自由电子和空穴在运动中相遇时会结合消失，称为复合。 Si - - - - - - - - - - - - Si Si Si - - - + - Si Si Si Si - - - - - - - - - - - - - - - - - + 武汉大学物理科学与技术学院 自由电子和空穴都能在电场的作用下移动形成电流，因 而称为载流子。空穴可以等价为带正电的空穴载流子。 室温附近，每升高8摄氏度，载流子浓度增加一倍。 + - + + + + + + + - - - - - - - - Si Si Si Si Si Si Si Si - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - - + 武汉大学物理科学与技术学院 掺杂半导体的导电特性 本征半导体中掺入微量其他元素原子（杂质），杂质半导体。 N型半导体(Negatively charged Semiconductor)，5价元素磷 P型半导体(Positively charged Semiconductor)，3价元素硼 - - - - - - - - - - Si - - 1 2 3 4 P Si Si - - - - - - - - - - - - - Si - - 1 2 3 B Si Si - - - 5 - + ‐ - + 武汉大学物理科学与技术学院 N型半导体 掺入微量的5价元素（磷，砷，锑等） 杂质原子提供一个1个多余电子 被称为施主杂质 固定正电荷（掺杂） P型半导体 掺入微量的3价元素（硼，铝等） 杂质原子提供一个1个空穴 被称为受主杂质 固定负电荷（掺杂） 思考：本征半导体，N掺杂之后，空穴比未加杂质时多了 ？少了？为什么？ 武汉大学物理科学与技术学院 N型半导体 电子为多数载流子（掺杂+热激发） 空穴为少数载流子（热激发） 施主 P + P + P + P + P + P + P + P + P + P + ‐ + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 热激发 N‐type silicon 武汉大学物理科学与技术学院 P型半导体 空穴为多数载流子（掺杂+热激发） 电子为少数载流子（热激发） P‐type silicon 受主 B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ ‐ + 热激发 + + + + + + + + + + 掺杂对半导体导电能力影响很大，掺入0.01%的杂质，载流子 浓度将增加10000倍。 武汉大学物理科学与技术学院 PN结的形成 扩散运动：由于浓度差而产生的载流子的运动。 扩散电流 1 2 n 1 n 2
内建电场-
漂移运动，动态平衡 武汉大学物理科学与技术学院 空间电荷区( 耗尽层) ： 可自由移动的载流子相互复合后，一定范围内只存在不 可移动的固定电荷，即空间电荷区(耗尽层、势垒层、阻 挡层)。 B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ B ‐ + + + + + + P型 B ‐ B ‐ P + P + + ‐ E N型 P + P + P + P + P + P + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 武汉大学物理科学与技术学院 平衡时的PN结 电子和空穴两种载流子，N指向P的内建电场 多子扩散形成正向电流，少子漂移形成反向电流 扩散和漂移电流处于动态，平衡总电流为0，PN结平衡 ‐ + ‐ + ‐ + ‐ + ‐ + ‐ + ‐ + ‐ + P型 N型 + 少子漂移 + 多子扩散 ‐ 少子漂移 ‐ 多子扩散 平衡时的PN结 武汉大学物理科学与技术学院 P‐side N‐side ‐ + 电场 (x) 电荷 x q∙N D ‐q∙N A V(x) V 0 电势 x 武汉大学物理科学与技术学院 外加正向电压：P端接电源正极，N端接电源负极。 (x) x V j (x) V 0 x V 0 ‐V 1 P‐side ‐ + N‐side V 0 V 0 ‐ V 1 P‐side ‐ + N‐side V 1 耗尽层变窄 减小内建电场 多子扩散运动增强 正向电流为主 PN结处于导通状态 武汉大学物理科学与技术学院 外加反向电压：P端接电源负极，N端接电源正极。天行体育官网 P‐side ‐ + N‐side V 0 (x) x V j (x) V 0 x V 0 +V 2 V 0 +V 2 V 2 P‐side ‐ + N‐side 耗尽层变宽 增强内建电场 多子扩散运动减弱 反向电流为主 PN结处于截止状态 少子为本征激发，一定 范围内不随外加反向电 压变化，称为反向饱和 电流I SAT 武汉大学物理科学与技术学院 内容总结 P N 结 知识点 内容提要 掌握程度 PN结相 关概念 半导体、电子、空穴、N型、 P型、多子、少子、漂移、扩散 了解概念 PN结形 成过程 PN交界→载流子漂移、扩散→ 空间电荷区→动态平衡 理解过程 PN结的 特性 平衡/正向偏置/反向偏置时的 PN结、PN结的伏安特性 理解特性 武汉大学物理科学与技术学院 §1.2 二极管 一、二极管的结构及符号 半导体二极管是由一个PN结及它所在的半导体再加上电 极引线和管壳构成。 武汉大学物理科学与技术学院 二、二极管的伏安特性 1、PN结的伏安特性 PN结的电流方程 其中i 为流过PN结的电流，v为PN结两端外加电压，I SAT 为反向饱和电流，q为电子电量，k B 为Boltzmann常数， T为热力学温度，V T 为热电势。T=300K时，V T ≈26mV。 外加正向电压且v
V T 时， 外加反向电压且v
V T 时， 1 1 T B V v SAT T k qv SAT e I e I i SAT V v I i e T 0 T T V v SAT V v e I i e 1 武汉大学物理科学与技术学院 PN结的伏安特性 i v v
VBR时,PN结内合成 电场强度太大，i急剧 增加，称为反向击穿 VBR称为击穿电压。 出现反向击穿时若不对电流加以限制，可能造成PN结的永久 性损坏。 武汉大学物理科学与技术学院 PN结的三种工作状态 正向导通 外加正偏电压，PN结导通，正向电流随外加电压以指数 形式增加； 反向截止 外加反偏电压，PN结截止，在一定的反向偏压范围内通 过PN结的反向电流保持不变（饱和）； 反向击穿 反向偏压过大，PN结被击穿，反向电流迅速放大。 武汉大学物理科学与技术学院 2、实际二极管的伏安特性 正向特性 正向电压较小时，外加电场不足以克服内建电场对载流 子扩散的抑制，故正向电流仍然很小。当正向电压加大， 超过一定数值vth时，电流显著加大。 vth为二极管的门 限电压（开启电压、阈值电压），硅二极管vth约为0.5V， 锗二极管vth约为0.1V。 二极管正向偏置时，P区和N区的体电阻、电极的接触电 阻、引线电阻的存在使正向电流有所减小。 武汉大学物理科学与技术学院 反向特性 反向电压较小时，反向电流IR(sat)很小，但随温度的升高 上升。硅管的IR(sat)小于0.1uA且基本不随反向电压改变， 锗管的IR(sat)小于0.1mA但随电压变化。 二极管反向偏置时，由于PN结表面漏电流的存在，使反 向电流稍有加大，且随反向电压的增加略有增加。 反向击穿特性 反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千 伏）。 武汉大学物理科学与技术学院 3、理想二极管的特性 如果二极管的正向压降 远小于和它串联的电压， 反向电流远小于和它并 联的电流，则二极管可 用理想二极管来等效。 理想二极管的正向和反 向压降都为0，反偏时的 反向电流也为0。 武汉大学物理科学与技术学院 4、稳压二极管 除普通的二极管外，还有一些特殊的二极管，如稳压二 极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管等。这里 只介绍稳压二极管。 稳压二极管的稳压特性 稳压二极管简称稳压管， 实质上就是一个面接触 型的硅二极管。它具有 陡峭的反向击穿特性， 工作在反向击穿状态。 V Z I Z 武汉大学物理科学与技术学院 稳压二极管工作在反向状态 电压V较小时，反向电流Iz 很小，可视为截止 当 时，很大的电流 变化量ΔI只只引起很小的电压 变化ΔVz 击穿特性越抖，稳压特性越 好。 Z V V 武汉大学物理科学与技术学院 三、二极管的主要参数 1、最大正向电流IFM。二极管长期工作允许的最大正向平 均电流。由于电流通过二极管时，PN结要消耗一定的功 率而发热，电流太大将导致PN结过热而烧毁。其大小决 定于PN结的面积、材料和散热条件。 2、反向峰值电压VRM。当反向电压增加到击穿电压vBR时， 反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，大电流导 致二极管发热而烧毁。为保证管子安全工作， VRM一般 取vBR的一半。 武汉大学物理科学与技术学院 3、反向直流电流IR。管子未击穿时反向直流电流的数值。 其值越小，管子的单向导电性能越好。 4、最高工作频率fM。二极管具有单向导电性能的最高工作 频率。其值主要由管子的势垒电容和扩散电容的大小决 定。 型号 IFM/ mA VBR /V IF /mA IR /uA fM /MHz Cj /pF 2AP8 35
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