N型硅
扩散电流密度：
J pd dp( x ) qDp dx
载流子浓度 n0 p0
n(x)
p(x)
J nd
x
dn( x ) ( q ) Dn dx
20
扩散电流是半导体的特有电流。
小结
1.半导体依靠自由电子和空穴两种载流子导电。 本征半导体 存在本征激发和复合，两种载流子电子 和空穴成对出现，其浓度随温度升高迅速增大。
16
四、杂质补偿原理 实际在制作晶体管时，往往是在一种杂质 半导体中掺入浓度更高的另一种杂质。
当NdNa: 本征
当Nd>Na: N型
当Nd<Na: P型
当|Nd-Na|>>ni, 则为杂 质半导体；否则应视为 本征半导体。
17
第1章
晶体二极管
1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散
一、漂移与漂移电流
|V反| ，速度 ，动能 ，碰撞。 PN 结掺杂浓度较高(l0 较窄) 发生条件 外加反向电压较小(< 6 V) 齐纳击穿 形成原因： 场致激发。
|V | ，E

，场致激发。
34
第1章
晶体二极管
击穿电压的温度特性
雪崩击穿电压具有正温度系数。
因为 T 载流子运动的平均自由路程 来自外电场的能量 V(BR)。
反向饱和电流
导通电压
30
正向：当V>0,V>>VT(大几倍)时，
I I S (e
V /VT
)
V VT ln I / I S
例：当I2=10I1时，V2=V1+26ln10=V1+60mV 思考：把一个1.5V的干电池直接接到二极 管两端（正偏），会不会发生什么问题？ 反向：当V<0,|V|>>VT(大几倍)时，
第1章
1.0 概 述
晶体二极管
1.1 半导体物理基础知识 1.2 PN 结 1.3 晶体二极管电路分析方法 1.4 晶体二极管的应用
1
第1章
晶体二极管
概
正极 P N
述
D
+ 负极
晶体二极管结构及电路符号：
晶体二极管的主要特性：单向导电性 即 PN 结正偏(P 接 +、N 接 -)，D 导通。 PN 结反偏(N 接 +、P 接 -)，D 截止。 单向导电性：允许一个方向电流顺利流通的特性。 主要用途：用于整流、开关、检波电路中。
T
或光照
ni
导电能力
热敏特性
12 光敏特性
第1章
晶体二极管
1.1.2 杂质半导体
一、N 型半导体
本征半导体中掺入少量五价元素(磷\锑\砷 )构成。
+4 +4 +5
简化模型：
自由电子
+4
+4
五价元素：施主杂质 杂质浓度：Nd
13
N 型半导体
多子——自由电子 少子——空穴
第1章
晶体二极管
二、 P 型半导体
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散
在交界面相遇复合
空间电荷区 形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移 。 内电场E P型半导体 空间电荷区 N型半导体
－ － －
－ － －
－ － －
－ － －
+ + +
阻挡层
+ + +
+ + +
+ + +
多子扩散电流
24
少子漂移电流
内电场E
P型半导体 阻挡层 － － － － － － － － － － － － + + +
Na Nd VB VT ln ni2
温度每升高 1℃， VB约减小 2.5 mV。
三、 阻挡层宽度：
l0 (
2 VB q
Na Nd 2 ) Na Nd
1
阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比：
注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差 VB就越大，
xn Na xp Nd
27 阻挡层宽度 l0 就越小。阻挡层主要是向低掺杂一侧扩展。
本征半导体中掺入少量三价元素(硼\镓\铟 )构成。
+4
+4 +3
简化模型：
空穴
+4
+4 三价元素：受主杂质
多子——空穴 P 型半导体
杂质浓度：Na
14
少子——自由电子
第1章
晶体二极管
三、杂质半导体中载流浓度计算
热平衡条件:多子浓度与少子浓度的乘积=本征半导体载流子 浓度ni的平方
n0 p0 即得热平衡方程：
最高工作温度： 硅 锗 150 ℃ ---200 ℃ 75 ℃ ---100℃
33
第1章
晶体二极管 ID
1.2.3 PN 结的击穿特性
|V反| = V(BR)时，
V(BR)
IR 急剧 ，
PN 结反向击穿。 雪崩击穿
O
V
PN 结掺杂浓度较低(l0 较宽) 发生条件 外加反向电压较大(> 6 V) 形成原因： 碰撞电离。
电压： V = E l 电流： I = S Jt 电阻： 截面积 S
I
长度 l
+
V
-
V El l R I Jt S S
1 Jt q( p p n n ) E
19
电导率：
第1章
晶体二极管
二、扩散与扩散电流
载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成 的电流称扩散电流。 光照
结构类型：点接触型 、面接触型、平面型
(a)点接触型
(b)面接触型
(c)平面型 22
根据P区、N区浓度大小分为：
对称PN结： Nd=Na PN+： Na<<Nd 根据杂质分布： 不对称PN结：P+N：Na>>Nd
突变结
缓变结
超突变结
23
第1章
晶体二极管
1.2.1 动态平衡下的 PN 结
一、 PN 结形成的物理过程
硅为 3.88 ×1016cm-3K-3/2 锗为 1.67 1016cm-3K-3/2 K: 玻尔兹曼常数(8.63 ×10-5eV/K) Eg0: T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV 锗为0.785eV)
10 3 T=300K时， ni 1.5 10 cm （硅） Si原子密度:22 3 4.96 10 cm 13 3 （锗） ni 2.4 10 cm
自由电子 — 带负电
空
穴 — 带正电
10
空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。
－
E
+4 +4 +4
＋
自由电子
导电机制
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在外电场的作用下，空穴和电子会产生移动，即不断有共 价键中的电子摆脱束缚，填充到原有的空穴中，即象是空 穴在移动，形成的电流方向就是空穴移动的方向。 判断：
+14 2 8 4
+32 2 8 18 4
+4
价电子
7
第1章
晶体二极管
1.1.1 本征半导体
一、本征半导体
硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导 体器件的基本材料。 硅和锗共价键结构示意图：
+4 +4 +4 +4 +4 +4 +4
8
+4
共价键
第1章
晶体二极管
二、本征激发
共价键具有很强的结合力。 当 T = 0 K(无外界影响) 时，共价键中无自由移动的电子。 当 T 升高或光线照射时 这种现象称 产生自由电子空穴对。
N型半导体 + + + + + + + + +
多子扩散电流 少子漂移电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流
总电流＝0
25
空间电荷区的别称： 阻挡层，耗尽层，势垒区，高阻区
第1章
晶体二极管
总结PN 结形成的物理过程：
开始因浓度差 出现内建电场 引起多子扩散 阻止多子扩散 最终达动态平衡 产生空间电荷区
第1章
晶体二极管
PN 结——伏安特性方程式
PN 结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：
V VT
I I S (e
1)
IS 为反向饱和
电流 , 其值与外加电 压近似无关，但受 温度影响很大。
导通电压: Si: VD(on)=0.6~0.8V Ge:VD(on)=0.2~0.3V
击穿电压
齐纳击穿电压具有负温度系数。
因为 T 价电子获得的能量 更易导致场致激发V(BR)。 ID 稳压二极管
利用 PN 结的反向击穿特性， 可制成稳压二极管。 要求：IZmin< IZ < IZmax
VZ +
IZmax 若IZ< IZmin ，不能稳压；若IZ> IZmax ,热击穿(过热烧毁)。
2.杂质半导体
掺杂 多子 少子
N型半导体：+5价 P型半导体：+3价
磷Nd 硼Na
电子 空穴
空穴 电子
施主杂质 受主杂质
3.半导体两种导电方式：漂移、扩散。
21
第1章
晶体二极管
1.2 PN 结（PN Junction）
利用掺杂工艺，把 P 型半导体和 N 型半导体在原子级上 紧密结合，P 区与 N 区的交界面就形成了 PN 结。