第六章

二極管及整流電路《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》二極管及整流電路半導(dǎo)體的基本知識(shí)PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成及特性特殊二極管半導(dǎo)體電子管電子管功放膽機(jī)半導(dǎo)體20世紀(jì)40年代末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體（Semiconductor）晶體對(duì)電信號(hào)的放大作用，從而改變了電子管在電子技術(shù)領(lǐng)域一統(tǒng)天下的局面，使電子技術(shù)步入了輝煌的半導(dǎo)體時(shí)代。半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、低功耗、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高等電子管不具備的優(yōu)點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體器件和集成電路在現(xiàn)代電子技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，各種電子設(shè)備在微型化、可靠性等方面得到極大提高。我們使用的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、LED電視、智能手表以及直流充電器等都是半導(dǎo)體器件和集成電路應(yīng)用的成果。半導(dǎo)體晶體三極管i9CPU集成了220億個(gè)晶體管二極管和三極管是最基本的半導(dǎo)體器件，也是制作集成電路的基礎(chǔ)。PN結(jié)是構(gòu)成二極管和三極管的基本單元結(jié)構(gòu)。6.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)《第六章二極管及整流電路》學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體材料的特性2.熟悉本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體6.1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)材料，常用的半導(dǎo)體材料有硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs，還有其他半導(dǎo)體材料如硼B(yǎng)、磷P、銦In和銻Sb等。Si是半導(dǎo)體中應(yīng)用最廣的材料，由于Si存世量大，設(shè)計(jì)與制造技術(shù)成熟，硅晶體管的價(jià)錢(qián)便宜，溫度穩(wěn)定性高，因而在電子元器件和集成電路的制造和應(yīng)用中處于主導(dǎo)地位。為了使集成電路具有高效率、低能耗、高速度的性能，相繼發(fā)展了GaAs、InP等半導(dǎo)體單晶材料和SiC、GaN、ZnSe、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料以及SiGe/Si、SOI（SiliconOnInsulator）等新型硅基材料。6.1.2本征半導(dǎo)體完全純凈且結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體叫作本征半導(dǎo)體，它們都是四價(jià)元素，原子最外層軌道上具有4個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子。物質(zhì)的物理、化學(xué)等性質(zhì)是由價(jià)電子數(shù)決定的，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)也與價(jià)電子有關(guān)。+4現(xiàn)代半導(dǎo)體材料主要使用硅和鍺，其外層均有4個(gè)價(jià)電子，而原子核和除價(jià)電子外的內(nèi)層電子組成慣性核（相當(dāng)于帶有4個(gè)單位正電荷，在圖中用代表慣性核）。6.1.2本征半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件的硅和鍺是單晶材料，具有金剛石結(jié)構(gòu)，其晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)如圖1所示。它們的原子形成有序的排列，每個(gè)硅（鍺）原子的4個(gè)價(jià)電子與相鄰的4個(gè)硅（鍺）原子的各一個(gè)價(jià)電子分別結(jié)成共用電子對(duì)，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，如圖2所示。圖1硅和鍺的晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)圖2硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)圖6.1.2本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體中的兩種載流子——電子和空穴在絕對(duì)溫度0K時(shí)，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有載流子，呈絕緣體特性。在室溫下，本征半導(dǎo)體中少數(shù)共價(jià)鍵中的電子因受熱而獲得能量，擺脫原子核的束縛，從共價(jià)鍵中掙脫出來(lái)，成為自由電子。失去價(jià)電子的硅或鍺原子在該共價(jià)鍵上留下了一個(gè)空位，因自由電子帶負(fù)電荷，可把其留下的空位看成帶正電荷的粒子，稱(chēng)其為空穴。由于本征硅或鍺每產(chǎn)生一個(gè)自由電子必然會(huì)有一個(gè)空穴對(duì)應(yīng)出現(xiàn)，即電子與空穴成對(duì)出現(xiàn)，所以稱(chēng)為電子空穴對(duì)，如圖所示。6.1.2本征半導(dǎo)體2.本征半導(dǎo)體的熱敏特性和光敏特性本征半導(dǎo)體受熱或光照后其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。當(dāng)溫度升高或光照增強(qiáng)時(shí)，本征半導(dǎo)體內(nèi)的原子運(yùn)動(dòng)加劇，有較多的電子獲得能量成為自由電子，即電子空穴對(duì)增多，所以本征半導(dǎo)體中電子空穴對(duì)的數(shù)目與溫度和光照有密切關(guān)系。溫度越高（溫度每升高10℃左右，硅中的載流子濃度約增加一倍）、光照越好，本征半導(dǎo)體內(nèi)載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電性越強(qiáng)，這就是本征半導(dǎo)體的熱敏特性和光敏特性。6.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入其他微量元素，可使其導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)。例如，在硅本征半導(dǎo)體中摻入千萬(wàn)分之幾的其他微量元素，它的導(dǎo)電能力就會(huì)增強(qiáng)數(shù)百萬(wàn)倍，這就是本征半導(dǎo)體的摻雜特性。摻入的微量元素稱(chēng)為雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為P（空穴）型半導(dǎo)體和N（電子）型半導(dǎo)體兩大類(lèi)。P（空穴）