教案 讲授章节 第一章二极管及其基本电路 授课时数 2学时 教学目的： 掌握半导体元件的基础知识 教学内容（讲授提纲） 1.1半导体基础知识 物质按导电性能可分为：导体、绝缘体和半导体 ,其导电特性取决于原子结构， 导体原子结构特点：导体一般为低价元素，其最外层电子受原子核的束缚力很小极易 挣脱原子核的束缚成为自由电子。在外电场作用下，这些电子产生定向运动形成电流， 呈现出较好的导电特性。 绝缘体原子结构特点：绝缘体一般为高价元素和高分子物质。其最外层电子受原子核的 束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差 半导体的导电特性介于二者之间。 1.1.1本征半导体 本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。 常用的半导体材料有硅和储，它们都是四价元素。在原子结构中最外层轨道上有四 个电子，成为价电子。图1-1为简化的原子结构模型。 图1 硅和锗简化原子结构模型 在硅晶体中，原子在空间排列成规则的晶格。其中每一个原子的价电子，不仅围绕 自身的原子核运动，同时也出现在相邻原子所属的轨道上。于是，两个相邻的原子共 有一对价电子，组成共价键。故晶体中，每个原子都和周围的4个原子用共价键的形 式互相紧密地联系起来，如图1-2所示
教 案 讲授章节 第一章 二极管及其基本电路 授课时数 2 学时 教学目的： 掌握半导体元件的基础知识 教 学 内 容（讲授提纲） 1.1 半导体基础知识 物质按导电性能可分为：导体、绝缘体和半导体。 其导电特性取决于原子结构。 导体原子结构特点：导体一般为低价元素，其最外层电子受原子核的束缚力很小, 极易 挣脱原子核的束缚成为自由电子。在外电场作用下, 这些电子产生定向运动形成电流, 呈现出较好的导电特性。 绝缘体原子结构特点：绝缘体一般为高价元素和高分子物质。其最外层电子受原子核的 束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差。 半导体的导电特性介于二者之间。 1.1.1 本征半导体 本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体。 常用的半导体材料有硅和锗, 它们都是四价元素。在原子结构中最外层轨道上有四 个电子，成为价电子。图 1-1 为简化的原子结构模型。 图 1 – 1 硅和锗简化原子结构模型 在硅晶体中，原子在空间排列成规则的晶格。其中每一个原子的价电子，不仅围绕 自身的原子核运动, 同时也出现在相邻原子所属的轨道上。于是， 两个相邻的原子共 有一对价电子， 组成共价键。故晶体中，每个原子都和周围的４个原子用共价键的形 式互相紧密地联系起来，如图 1-2 所示。 ＋ 4
+6。+d 图1一2木征半导休共价键品休结物示音图 共价键中的价电子由于热运动而获得 一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚 而成为自由电子，同时在共价键中留下空位，称为空穴。如图1-3所示。空穴带正电。 在外电场作用下，自由电子定向移动，形成电子电流。而价电子也按一定方向依次 填补空穴，相当于空穴反方向移动，形成空穴电流。 图1-3木征半导体中白由由子和空穴 载流子：带负电的 子和带正电的空穴。本征 、半导是体牛可骨由老骨体中赛高时成对产生的，它们的浓度是相等的 由电 自由电子在运动过程中失去能量，与空穴相遇，使电子、空穴对消失，这种现象 称为复合。在一定温度下，电子-空穴对产生过程和复合过程相对平衡，载流子的浓度 是一定的。但随着温度的升高，载流子的浓度呈指数规律增加。因此，半导体载流子浓 度对温度十分敏感。 1.1.2杂质半导体 本征半导体中载流子的浓度一般很低，导电能力很差。为改变其导电特性，在本征 半导体中掺入少量杂质，构成杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入微量5价元素，则原来品格中的某些硅原子被杂质原子 替。杂质原子的最外层有5个价电子，它与周围4个硅原子组成共价键时，还多余1个 价电子。在室温情况下，该价电子即可成为自由电子。如图1一4所示。在这种杂质半 导体中，电子浓度远远大于空穴的浓度，其主要靠电子导电，所以称为N型半导体
图 1–2 本征半导体共价键晶体结构示意图 共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚 而成为自由电子, 同时在共价键中留下空位, 称为空穴。如图 1-3 所示。空穴带正电。 在外电场作用下，自由电子定向移动，形成电子电流。而价电子也按一定方向依次 填补空穴，相当于空穴反方向移动,形成空穴电流。 图 1–3 本征半导体中自由电子和空穴 由此可见, 半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征 半导体中, 自由电子与空穴是同时成对产生的, 它们的浓度是相等的。 自由电子在运动过程中失去能量, 与空穴相遇, 使电子、 空穴对消失, 这种现象 称为复合。在一定温度下, 电子-空穴对产生过程和复合过程相对平衡，载流子的浓度 是一定的。但随着温度的升高，载流子的浓度呈指数规律增加。因此，半导体载流子浓 度对温度十分敏感。 1.1.2 杂质半导体 本征半导体中载流子的浓度一般很低，导电能力很差。为改变其导电特性，在本征 半导体中掺入少量杂质，构成杂质半导体。 1. Ｎ型半导体 在本征半导体中, 掺入微量５价元素, 则原来晶格中的某些硅原子被杂质原子代 替。杂质原子的最外层有５个价电子, 它与周围４个硅原子组成共价键时, 还多余 1 个 价电子。 在室温情况下，该价电子即可成为自由电子。如图１-４所示。在这种杂质半 导体中，电子浓度远远大于空穴的浓度， 其主要靠电子导电, 所以称为Ｎ型半导体。 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 自 由 空 穴 电 子 ＋ 4 共 价 键 价 电 子 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4
N型半导体中，自由电子称为多数载流子：空穴称为少数载流子。 0心8 如如 图1-4N型半导体共价键结构 2.P型半导体 在本征半导体中，糁入微量3价元素，则原来晶格中的某些硅原子被杂质原子代替 杂质原子的最外层有3个价电子，它与周围4个硅原子组成共价键时，由于缺少 个电 子而形成空穴。如图1-5所示。在这种杂质半导体中，空穴浓度远远大于电子的浓 其主要靠空穴导电，所以称为P型半导体。 P型半导体中，空穴称为多数载流子：自由电子称为少数载流子。 位G 二加44加 图1-5P型半导体的共价键结构 1.2PN 在 块半导体的一侧掺杂成P型半导体，而在另一侧掺杂成N型半导体，在两者 的交界处将形成一个PN结。它是构成其它半导体器件的基础。 1.2.1异型半导体接触现象 在P型半导体和N型半导体的交界面两侧，电子和空穴的浓度相差悬殊，N区中 的多数载流子电子向P区扩散， P区中的多数载流子 空穴向N区扩散 称为扩散运动 如图1-6()所示。电子和空穴相遇复合命： 在交界面形成 由不能移动的正、 离子红 成的空间电荷区，如图（⑥）所示。在电荷区内没有载流子，所以也称为耗尽层，也就是P四 结。电荷区内形成由N区指向P区的自建电场，它阻止多数载流子的继续扩散运动， 同时也使N区中的少数载流子空穴向P区运动，P区中的少数载流子电子向N区运
Ｎ型半导体中, 自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。 图 1 - 4 N 型半导体共价键结构 2. P 型半导体 在本征半导体中, 掺入微量３价元素，则原来晶格中的某些硅原子被杂质原子代替。 杂质原子的最外层有 3 个价电子, 它与周围４个硅原子组成共价键时, 由于缺少一个电 子而形成空穴。如图 1-5 所示。在这种杂质半导体中，空穴浓度远远大于电子的浓度， 其主要靠空穴导电，所以称为 P 型半导体。 P 型半导体中,空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子。 图 1–5 P 型半导体的共价键结构 1.２ＰＮ 结 在一块半导体的一侧掺杂成 P 型半导体，而在另一侧掺杂成 N 型半导体，在两者 的交界处将形成一个 PN 结。它是构成其它半导体器件的基础。 1.2.1 异型半导体接触现象 在 P 型半导体和 N 型半导体的交界面两侧，电子和空穴的浓度相差悬殊，N 区中 的多数载流子电子向 P 区扩散，P 区中的多数载流子空穴向 N 区扩散，称为扩散运动。 如图 1-6(a)所示。电子和空穴相遇复合，在交界面形成一个由不能移动的正、负离子组 成的空间电荷区，如图(b)所示。在电荷区内没有载流子，所以也称为耗尽层，也就是 PN 结。电荷区内形成由 N 区指向 P 区的自建电场，它阻止多数载流子的继续扩散运动， 同时也使 N 区中的少数载流子空穴向 P 区运动，P 区中的少数载流子电子向 N 区运 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 5 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 键 外 电 子 施 主 原 子 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 ＋ 4 空 位 受 主 原 子
动，称为漂移运动。 扩散运动使空间电荷区变宽，而漂移运动令电荷区变窄，当两者达到平衡时，空间 电荷区的宽度也达到稳定，形成稳定的PN结， ⊙a'⊙o⊙⊙⊙oΦ.⊙ @a⊙日日Φ⊙8⊙▣ e日6：ooo©©oo 自建场 (回)多数载流子的扩散运动 )平衡时阻挡层形成 图1-6PN结的形成 1.2.2PN结的单向导电特性 1.PN结外加正向电压 若将电源的正极接P区， 负极接N区，则称此为正向接法或正向偏置 正向接法时，外加电场与自建场方向相反，削弱了自建场，使空间电荷区变窄，如 图1-7()所示。有利于多数载流子的扩散运动，而不利与小数载流子的漂移运动。因此， 在电源作用下，扩散电流远远大于漂移电流，形成较大的正向电流I。,其方向由电源 正极通过P区、N区到达电源负极。 自建 包外加正向电压 b)外加反向电压 图1-7P结单向导电特性 2.PN结外加反向电压 若将电 源的 正极接N区，负极接P区，则称此为反向接法或反向偏置 反向接法时，外加电场与自建场方向相同，增强了自建场，使空间电荷区变宽，如 图1-7(6)所示。有利于小数载流子的漂移运动，而不利多数载流子的扩散运动。因此， 漂移电流大于扩散电流，形成由少数载流子运动产生的反向电流【，方向见图()。由 干少载洁子浓度很低 故反向电流很小 当外加反向电压超过零点几伏时，反向电 流将不再随反向电压的增加而增加，故称为反向饱和电流，通常用 I表示。 综上所述：PN结正向偏置时，回路中将产生较大的正向电流，PN结处于导通状 态：反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎为零，PN结处于截止状态。可见， PN结具有单向导电性。 根据半导体物理的原理，PN结的电流与电压的关系如下： In=I(e!,-1) (1-1) 此方程称为伏安特性方程 式中 ,I,为流过PN结的电流：∥为PN结两端电压 U,称为温度电压当量，在室温下，U,≈26mV:Is为反向饱和电流。PN结的伏
动，称为漂移运动。 扩散运动使空间电荷区变宽，而漂移运动令电荷区变窄，当两者达到平衡时，空间 电荷区的宽度也达到稳定，形成稳定的 PN 结。 图 1 - 6 PN 结的形成 1.2.2 ＰＮ结的单向导电特性 1. ＰＮ结外加正向电压 若将电源的正极接Ｐ区, 负极接Ｎ区, 则称此为正向接法或正向偏置。 正向接法时，外加电场与自建场方向相反, 削弱了自建场, 使空间电荷区变窄, 如 图 1-7(a)所示。有利于多数载流子的扩散运动，而不利与小数载流子的漂移运动。因此， 在电源作用下，扩散电流远远大于漂移电流，形成较大的正向电流ＩＤ，其方向由电源 正极通过Ｐ区、Ｎ区到达电源负极。 图 1 - 7 PN 结单向导电特性 2. ＰＮ结外加反向电压 若将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区, 则称此为反向接法或反向偏置。 反向接法时，外加电场与自建场方向相同, 增强了自建场，使空间电荷区变宽， 如 图 1-7(b)所示。有利于小数载流子的漂移运动，而不利多数载流子的扩散运动。因此， 漂移电流大于扩散电流，形成由少数载流子运动产生的反向电流 I，方向见图(b) 。由 于少数载流子浓度很低， 故反向电流很小。 当外加反向电压超过零点几伏时，反向电 流将不再随反向电压的增加而增加， 故称为反向饱和电流，通常用ＩＳ表示。 综上所述：ＰＮ结正向偏置时，回路中将产生较大的正向电流，ＰＮ结处于导通状 态；反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎为零，ＰＮ结处于截止状态。 可见， ＰＮ结具有单向导电性。 根据半导体物理的原理，ＰＮ结的电流与电压的关系如下： = （ UT −1） U D S I I e (1-1) 此方程称为伏安特性方程。式中，ＩＤ为流过ＰＮ结的电流；U 为ＰＮ结两端电压； ＵＴ称为温度电压当量，在室温下，ＵＴ≈２６ｍＶ；ＩＳ为反向饱和电流。ＰＮ结的伏 P (a) 多数载流子的扩散运动 N P (b) 平衡时阻挡层形成 N 耗尽层 空间电荷区 自建场 P N 外电场 (a) 外加正向电压 P N (b) 外加反向电压 I 自建场 D ＋ － R 外电场 自建场 ＋ R U U －
安特性还可以用图1一8所示曲线表示，称为伏安特性曲线。 1 图1-8PN结伏安特性 1.2.3PN结的击穿 P结处于反向偏置时，在一定电压范围内，流过PN结的电流是很小的反向饱和 电流。但是当反向电压超过某 数值(U)后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向 击穿，如图1-8所示。U称为击穿电压。由于击穿破坏了PN结的单向导电特性，使 用时一般应避免。 发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。当P结反向击穿时，只要注意控制反向 电流不至于过大，当反向电压降低时，PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管就是 利用了PN结的反向击穿特性来实现稳压的。 教学方法、教学手段： PPT结合板书 作业、讨论题、思考题： PN结的工作原理：PN结的工作特点。 参老资料： 《模拟电子基础》童诗白高等教有出版社 《模拟电子技术基础教程》邓汉馨高等教育出版社 讲授章节 第一章二极管及其基本电路 授课时数 2学时 教学目的： 了解半导体二极管的结构特点、类型，掌握二极管的特性及重要参数。 教学内容（讲授提纲）
安特性还可以用图 1-8 所示曲线表示，称为伏安特性曲线。 图 1 - 8 PN 结伏安特性 1.2.3 ＰＮ结的击穿 PN 结处于反向偏置时, 在一定电压范围内, 流过ＰＮ结的电流是很小的反向饱和 电流。但是当反向电压超过某一数值(ＵＢ)后, 反向电流急剧增加, 这种现象称为反向 击穿，如图１-８所示。ＵＢ称为击穿电压。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性，使 用时一般应避免。 发生击穿并不一定意味着ＰＮ结被损坏。当 PN 结反向击穿时, 只要注意控制反向 电流不至于过大, 当反向电压降低时, ＰＮ结的性能就可以恢复正常。稳压二极管就是 利用了ＰＮ结的反向击穿特性来实现稳压的。 教学方法、教学手段： PPT 结合板书 作业、讨论题、思考题： PN 结的工作原理；PN 结的工作特点。 参考资料： 《模拟电子基础》 童诗白 高等教育出版社 《模拟电子技术基础教程》 邓汉馨 高等教育出版社 讲授章节 第一章 二极管及其基本电路 授课时数 2 学时 教学目的： 了解半导体二极管的结构特点、类型，掌握二极管的特性及重要参数。 教 学 内 容（讲授提纲） U I O UB