清华大学：《模拟电子电路》课程教学资源（PPT课件讲稿）第一章 集成电路元、器件基础（1.2）PN结与晶体二极管

1.2PN结与晶体二极管 在同一片半导体基片上,分别制造P型半导体和N型半导 体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了NN结。 121PN结的动态平衡过程和接触电位差 P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很 大,在浓度差下形成扩散运动,P区的空穴(多子)向N区扩散, N区的自由电子(多子)向P区扩散,在过渡区域产生强烈的复 合作用使自由电子和空穴基本消失,在过渡带中产生一个空间 电荷区(耗尽区),扩散运动使过渡带内失去了电中性,产生 电位差和电场,分别称为接触电位差和内建电场,内建电场由N 区指向P区阻碍多子的扩散运动,却促进过渡带中少子的漂移运 动,漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场,随着扩

1.2 PN结与晶体二极管 在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导 体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。 1.2.1 PN结的动态平衡过程和接触电位差 P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很 大，在浓度差下形成扩散运动，P区的空穴（多子）向N区扩散， N区的自由电子（多子）向P区扩散，在过渡区域产生强烈的复 合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个空间 电荷区（耗尽区），扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生 电位差和电场，分别称为接触电位差和内建电场，内建电场由N 区指向P区阻碍多子的扩散运动，却促进过渡带中少子的漂移运 动，漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随着扩

散运动和漂移运动的进行,最后达到一个平衡状态,即内建电 场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等,这种平衡称 为动态平衡,这时过渡带中的接触电位差,内建电场强度,空 间电荷区宽度均处于稳定值,这时我们认为PN结已经形成,并 把P、N的过渡带称为PN结,PN结的宽度为空间电荷区的宽度。 PN结的接触电位差: Vo=V In -P=Vhn T=300K时,锗的V。≈02-0.3V,硅的v0.6~0.8V

散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态，即内建电 场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等，这种平衡称 为动态平衡，这时过渡带中的接触电位差，内建电场强度，空 间电荷区宽度均处于稳定值，这时我们认为PN结已经形成，并 把P、N的过渡带称为PN结，PN结的宽度为空间电荷区的宽度。 PN结的接触电位差： p n T n p T n n V p p Vφ =V ln = ln 2 2 ln ln i D A T i p n T n N N V n p n Vφ =V  T=300K 时，锗的Vφ ≈0.2~0.3V，硅的Vφ ≈0.6~0.8V

内电场越强,就使漂移 运动越强,而漂移使空 问电荷区变薄。 漂移运动 P型半导体区 N型半导体区 内建电场E eoeoeeo00000 eo000ec④④④ 空间电荷区, 也称耗尽层。 扩散运动扩散的结果是使空 间电荷区逐渐加宽

P型半导体区 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半导体区 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内建电场E 漂移运动 扩散的结果是使空 间电荷区逐渐加宽 内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层

漂移运动 P型半导体区 N型半导体区 内建电场E 999999|@ ceo 999|④④ 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两 个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变

漂移运动 P型半导体区 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半导体区 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内建电场E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两 个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变

),(+(+(+(+ + +)(+(+(+ 空间 P型区 电荷区N型区

－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 P型区 电荷区 N型区 V0

1.22ⅨN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型 在PN结上加欧姆接触电极引出管脚便构成晶体二极管 欧姆接触:通过隧道效应,消除金属半导体势垒的接触方式 1221单向导电性 概念:正向偏置形成电流较大,反向偏置形成电流很小。 PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是:P区加正、N 区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是:P区加负、N 区加正电压

1.2.2 PN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型 在PN结上加欧姆接触电极引出管脚便构成晶体二极管 欧姆接触：通过隧道效应，消除金属半导体势垒的接触方式 1.2.2.1 单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。 概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小

二极管基本结构: PN结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。 触丝线)点接触型 正极引线 铝合金小球 P型硅 N型徒 金锑合金 底座 引线[外壳」[基片 负极引线 面接触型 P 二极管的电路符号:

二极管基本结构： PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线 外壳 触丝线 基片 点接触型 面接触型 P N 二极管的电路符号：

PN结正向偏置: 变薄 内电场被削弱,多子的 扩散加强能够形成较大 的扩散电流。 内电场 外电场 R E

－ － － － + + + + R E PN 结正向偏置： 内电场 外电场 变薄 P N + _ 内电场被削弱，多子的 扩散加强能够形成较大 的扩散电流

PN结反向偏置: 变厚 内电场被被加强,多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强,但少子数量有 限,只能形成较小的反 向电流。 内电场 R 外电场 E

PN 结反向偏置： － － － － + + + + 内电场 变厚 P N + _ 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 R 外电场 E

1222伏安特性 伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间 的关系式或曲线。 二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示: ip=l(exp-1) 式中:iD表示流过二极管的电流; D表示二极管两端的电压,正向偏置为正; 表示反向饱和电流(硅:109~10-15A)

1.2.2.2 伏安特性 伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间 的关系式或曲线。 二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示： = (exp −1) T D D s V v i I 式中：iD 表示流过二极管的电流； vD 表示二极管两端的电压，正向偏置为正； Is 表示反向饱和电流（硅：10-9～10-15A）