西安电子科技大学出版社：高等学校电子信息类系列教材《模拟电子技术基础》课程电子教案（PPT课件讲稿）第1章 晶体二极管及其基本电路

第1章晶体二极管及其基本电路 第1章晶体二极管及其基本电路 1-1半导体物理基础知识 1-2PN结及晶体二极管 1-3晶体二极管及其基本电路 1-4其它二极管简介 B

第1章 晶体二极管及其基本电路 第1章 晶体二极管及其基本电路 1–1 半导体物理基础知识 1–2 PN结及晶体二极管 1–3 晶体二极管及其基本电路 1–4 其它二极管简介

第1章晶体二极管及其基本电路 1-1半导体物理基础知识 按导电性能的不同,物质可分为导体、绝缘体和 半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、 锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体 和绝缘体之间,并且会随温度、光照或掺入某些杂质 而发生显著变化。要理解这些特性,就必须从半导体 的原子结构谈起

第1章 晶体二极管及其基本电路 1–1 半导体物理基础知识 按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和 半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、 锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体 和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质 而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体 的原子结构谈起

第1章晶体二极管及其基本电路 按导电性能的不同,物质可分为导体、绝缘体和 半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、 锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体 和绝缘体之间,并且会随温度、光照或掺入某些杂质 而发生显著变化。要理解这些特性,就必须从半导体 的原子结构谈起。与价电子密切相关,所以为了突出 价电子的作用,我们采用图1-1所示的简化原子结构模 型

第1章 晶体二极管及其基本电路 按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和 半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、 锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体 和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质 而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体 的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出 价电子的作用，我们采用图1–1所示的简化原子结构模 型

第1章晶体二极管及其基本电路 图1-1原子的简化模型

第1章 晶体二极管及其基本电路 ＋ 4 图1–1原子的简化模型

第1章晶体二极管及其基本电路 纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和 锗的单晶中,原子按一定间隔排列成有规律的空间点 阵(称为晶格)。由于原子间相距很近,价电子不仅受到 自身原子核的约束,还要受到相邻原子核的吸引,使 得每个价电子为相邻原子所共有,从而形成共价键。 这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组 成四对共价键,依靠共价键使晶体中的原子紧密地结 合在一起。图1-2是单晶硅或锗的共价键结构平面示意 图。共价键中的电子,由于受到其原子核的吸引,是 不能在晶体中自由移动的,所以是束缚电子,不能参 与导电

第1章 晶体二极管及其基本电路 纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和 锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点 阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到 自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使 得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。 这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组 成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结 合在一起。图1–2是单晶硅或锗的共价键结构平面示意 图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是 不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参 与导电

第1章晶体二极管及其基本电路 == 价电子 (炽((+ 共价键 图1-2单晶硅和锗的共价键结构示意图

第1章 晶体二极管及其基本电路 ＋ 4 共 价 键 价 电 子 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 图1–2单晶硅和锗的共价键结构示意图

第1章晶体二极管及其基本电路 、半导体中的载流子一自由电子和空穴 在绝对零度(273℃)时,所有价电子都被束缚在共 价键内,晶体中没有自由电子,所以半导体不能导电。 当温度升高时,键内电子因热激发而获得能量。其中 获得能量较大的一部分价电子,能够挣脱共价键的束 缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留 下了与自由电子数目相同的空位,如图1-3所示

第1章 晶体二极管及其基本电路 一、半导体中的载流子——自由电子和空穴 在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共 价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。 当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中 获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束 缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留 下了与自由电子数目相同的空位，如图1–3所示

第1章晶体二极管及其基本电路 (+4·+4 冫·由电子 空穴 + + 图1-3本征激发产生电子和空穴

第1章 晶体二极管及其基本电路 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 自由电子 空 穴 图1–3本征激发产生电子和空穴

第1章晶体二极管及其基本电路 、本征载流子浓度 在本征半导体中,由于本征激发,不断地产生电 子、空穴对,使载流子浓度增加。与此同时,又会有 相反的过程发生。由于正负电荷相吸引,因而,会使 电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成 为价电子,同时释放出相应的能量,从而消失一对电 子、空穴,这一过程称为复合。显然,载流子浓度越 大,复合的机会就越多。这样在一定温度下,当没有 其它能量存在时,电子、空穴对的产生与复合最终会 达到一种热平衡状态,使本征半导体中载流子的浓度 定。理论分析表明,本征载流子的浓度为

第1章 晶体二极管及其基本电路 二、本征载流子浓度 在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生电 子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有 相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，因而，会使 电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成 为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电 子、空穴，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越 大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有 其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会 达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度 一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为

第1章晶体二极管及其基本电路 n1=p1=A4732eo026 式中np分别表示电子和空穴的浓度(cm3);T为热 力学温度(K);Eo为7=0K时的禁带宽度(硅为1,2leV锗 为0.78eV);k为玻尔兹曼常数(863×106VK);A0是与 半导体材料有关的常数(硅为387×10cm3:K32,锗 为176×101cm3K32)

第1章 晶体二极管及其基本电路 式中ni ,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm–3 )；T为热 力学温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗 为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63×10–6 V/K)；A0是与 半导体材料有关的常数(硅为3.87×1016cm-3·K-3/2 ，锗 为1.76×1016cm-3·K-3/2 )。 E kT i i G n p A T e 3/ 2 / 2 0 − 0 = = (1–1)