第6章 晶体管及其应用(1) PN结及晶体二极管

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1、第二篇第二篇PN结及晶体二极管第第6章章6.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性6.2.1 晶体二极管晶体二极管6.2.2 稳压二极管稳压二极管6.2.3 发光二级管发光二级管 6.2 晶体二极管及其应用晶体二极管及其应用第第1页页6.2.4 变容二级管变容二级管 6.2.5 晶体二级管的基晶体二级管的基本应用电路本应用电路 第第3页页 第第3页页一般情况下，本征半导体中的载流子浓度一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。大，不稳定，因此其用途还是很有限的。硅和锗硅和锗的简化的简化原子模

2、原子模型。型。这是硅和锗构成的这是硅和锗构成的共价键结构示意图共价键结构示意图 晶体结构中的晶体结构中的共价键具有很强的共价键具有很强的结合力，在热力学结合力，在热力学零度和没有外界能零度和没有外界能量激发时，价电子量激发时，价电子没有能力挣脱共价没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体键束缚，这时晶体中几乎没有自由电中几乎没有自由电子，因此不能导电子，因此不能导电第第3页页 当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子中的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为而获得足够的能量，因而能脱离共价

3、键的束缚成为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“” 。空穴空穴自由自由电子电子本征半导体中产生电子本征半导体中产生电子空穴对的现象称为空穴对的现象称为 显然在外电场的作用下，半导体中将出现两显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的部分电流：一是自由电子作定向运动形成的，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的电子）递补空穴形成的。 共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空电子比较

4、容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。补，再出现空穴，如右图所示。 在半导体中同时存在在半导体中同时存在和和两种两种参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。本质上的区别。第第3页页 在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元五价元素素，杂质原子就替代杂质原子就替代了共价键中了共价键中某些硅原子的位置某

5、些硅原子的位置，杂，杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电中，不能移动，所以它不参与导电。 杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发不同，它不会产生空穴因此与本

6、征激发不同，它不会产生空穴。 由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为称为。 掺入五价元素的杂质半导体，其掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称，因此称为为半导体半导体，也叫做，也叫做半导体半导体。 在在半导体中，半导体中，载流子载流子（简称多子），（简称多子），载载流子流子（简称少子）；不能移动的（简称少子）；不能移动的。 相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂

7、质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为入杂质的半导体称为杂质半导体可以分为杂质半导体可以分为两大类。两大类。 第第3页页 不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。 在在P型半导体中，由于杂质原子可以型半导体中，由于杂质原子可以而成为而成为的负离子，故称为的负离子，故称为。 掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓

8、掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为度远远大于自由电子的浓度，因此称为半导体半导体，也叫做，也叫做半导体半导体。 在硅（或锗）晶体中掺入微量的在硅（或锗）晶体中掺入微量的杂质硼（或其他），硼原杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下形成一个空穴。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穴，使硼原子获得能量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子得电子而成为而

9、成为不能移动不能移动的负离子的负离子；而原来的硅原子共价键则因；而原来的硅原子共价键则因缺少缺少一个电子，出现一个一个电子，出现一个空穴空穴。于是半导体中的空穴数目大量增加。于是半导体中的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子则成为少数载流子。 第第3页页 正负空间电荷在交界面两侧形成一个由正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向区指向P区的电场，称为区的电场，称为内电场内电场，它，它对对多数载流子的扩散运动起阻挡作用多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为，所以空间电荷区又称为阻挡层阻挡层。同时，内电场对。同时，内电场对少

10、数载流子起推动作用，把少数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为。 P型和型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或型或N型半导体，在型半导体，在P型和型和N型半导体的交界面就会形成型半导体的交界面就会形成PN结。结。 左图所示的是一块晶片，两边分别形成左图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和型和N型半导体。为便于理解，图中型半导体。为便于理解，图中P区

11、仅区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区区向向N区扩散，自由电子要从浓度高的区扩散，自由电子要从浓度高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是域，这就是，又叫，又叫。 第第3页页空间电荷区空间电荷区 P