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(1-1) 模拟电子技术 第一章 半导体器件 (1-2) 一. 导体、半导体和绝缘体 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物(如硫化镉)、氧化物(如氧化 锌)等。 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 本征半导体 (1-3) 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体 结构的半导体称为本征半导体 (1-4) 二.本征半导体的结构特点 Ge Si 现代电子学中，用的最多的本征半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。 (1-5) Si的原子序数为14，有14个电子绕 核旋转 外层电子离核最远，受到的束缚最弱，称为价电子。 Si原子结构简图 （Ge原子序数32） +4表示除 去价电子 后的原子 (1-6) 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4+4 +4+4 硅和锗的每个原子与其相临的原子之间形成共价键， 共用一对价电子。形成共价键后，每个原子的最外层 电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力 ，使原子规则排列，形成晶体。 (1-7) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。 (1-8) 三.本征半导体的载流子和导电机理 在绝对0度（T=0 K）和没有外界激发(如光 照)时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体 中没有可以运载电荷的粒子（即载流子），它的 导电能力为0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使极少数的价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由 电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 1.载流子:自由电子和空穴 (1-9) +4+4 +4+4 自由电子 空穴 束缚电子 (1-10) 2.本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 空穴吸引附近的束 缚电子来填补，这 样的结果相当于空 穴的迁移，而空穴 的迁移相当于正电 荷的移动，因此可 以认为空穴是带正 电的载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。 (1-11) 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度：温度越高 则载流子浓度越高，因此本征半导体的导电能力越强。 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半 导体的一大特点。 本征半导体中电流由两部分组成：自由电子移动产生 的电流；空穴移动产生的电流。 四.本征半导体中载流子的浓度 本征激发 复合 动态平衡 在一定温度下本征半导导体中载流子的浓度是一定的，并 且自由电子与空穴的浓度相等。 (1-12) 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导 体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某 种载流子浓度大大增加。 P （Positive，正）型半导体： 空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称空穴半导体。 N （Negative，负）型半导体： 自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称电子半导体 。 (1-13) 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体中的某些半导体原子被杂质 取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中 四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定 多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很 容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就 成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子 给出一个电子，称为施主原子。 一、N 型半导体 (1-14) +4+4 +5+4 多余 电子 磷原子 N 型半导体中的 载流子是什么？ 1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由 电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子 （多子），空穴称为少数载流子（少子）。 (1-15) 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟 ），晶体中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最 外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时 ，产生一个空穴。 这个空穴可能吸引束缚电子 来填补，使得硼原子成为不 能移动的带负电的离子。由 于硼原子接受电子，所以称 为受主原子。 +4+4 +3+4 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 二、P 型半导体 (1-16) 三、杂质半导体的示意表示法 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近 似认为多子与杂质浓度相等。 P 型半导体 (1-17) 1.1.3 PN结二极管器件的基石 一. PN 结的形成 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。 (1-18) P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。 内电场(其方向即正电荷的受力方向)会阻止扩散运动，同时内电场 越强则使漂移运动越强，而漂移会使空间电荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层。 (1-19) 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 当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。 (1-20) PN结的形成(动画） (1-21) 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。 二. PN结的单向导电性 P N结导通时的结压降0.7伏，因而会在它所在的回路中串联一个 电阻，以限制回路的电流，防止P N结因正向电流过大而损坏。 (1-22) + + + + RE 1.PN 结正向偏置 内电场 外电场 变薄 PN + _ 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。 (1-23) 2.PN 结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被加强，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。 RE (1-24) 三、PN结的电流方程（结电压u与电流i关系） q为电子的电量；k为玻尔兹曼常数； T为热力学温度；IS 为反向饱和电流。 温度的电压当量 (1-25) 四. PN结的伏安特性 由PN结的电流方程可知 反向击穿 齐纳击穿(高掺杂)：耗尽 层窄，反向击穿电压较小 雪崩击穿(低掺杂)：耗尽 层宽，反向击穿电压较大 正向特性 反向击穿电压 反向特性 死区电压Vth指结正向电 流由几乎为零转而开始明 显增大那一点的结电压， 此时正向电流仍不大，还 不能满足电路应用。 (1-26) 五.PN结的电容效应 (1) 势垒电势垒电 容Cb (barrier capacity) 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。 (a) PN 结加正向电压（b) PN 结加反向电压 - N 空间 电荷区 P V R I + U N 空间 电荷区 P R I + - U V 当PN结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷 量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 (1-27) 当PN结加反向电压时， Cb明显随u的变化 而变化（趋势较缓和），因此利用这一 特性制成各种变容二极管。 由于 PN 结 宽度 随外加电 压 u 而变化，因此势垒电容 Cb 不是一个常数。其 Cb = f (u) 曲线如图示。 O u Cb 空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的 放电和充电过程。 (1-28) (2)扩散电容Cd (diffused capacity) 空穴浓度 电子浓度 PN结正向偏置时：N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的浓度 分布，在P区存贮了一定数量的电子，同样在N区也存贮了一定数 量的空穴。当正向电压加大时，扩散增强，P区的电子数和N区的 空穴数将增多，相当于电容器的充电；当正向电压减小时，情况 正相反。PN结外两个区域形成电荷堆积变化 扩散电容效应。 反向偏置时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。 (1-29) 总之，PN结呈现出两种电容，它的总电容Cj相当 于两者的并联，即CjCb + Cd。正向偏置时，扩散电 容远大于势垒电容 CjCd ；而反向偏置时，扩散电 容可以忽略，势垒电容起主要作用，CjCb 。 由于Cb与Cd一般都很小(结面积小的为1pF 左右,结面积 大的为几十至几百皮法),对于低频信号呈现出很大的 容抗。 对于电容，容抗为 由于半导体管中存在PN结电容（在电路中以并联形式 存在），对信号构成了低通电路，即频率足够低的信 号对电路几乎不产生影响。因而，只有在信号频率较 高时才考虑结电容的作用。 (1-30) 1.2.1常见基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成 为半导体二极管。 1.2 半导体二极管 阴极N阳极P 1 点接触型二极管 2 面接触型二极管3 平面型二极管 (1-31) 死区电压是它的开启电 压Uon，也就是说，在这 个电压以下时，即使是 正向的，它也不导通。 u i 导通压降: 硅管0.7V, 锗管0.2V。 反向击穿 电压U(BR) 死区电压： 硅管0.5V, 锗管0.1V。 1.2.2 二极管的伏安特性 正向导通压降是在管子 正向导通的时候，二极 管两端的电压，也就是 它引起的压降，此时正 向电流变化时结压降基 本不变。 对比PN结：正向情况(考虑体电阻、引线电阻)、反向情况(考虑 表面漏电流) 制造PN结若在表面上沾上水汽或金属离子，引 起离子导电(电流从N区电极沿半导体表面直接 到P区电极)，往往成为反向电流的主要部分。 (1-32) 实验发现：在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移 （正向导通压降及开启电压减小），反向特性将下移（反 向电流增大）。 二极管的特性对温度很敏感。 室温附近，温度每升高1 ，正向导通压降减小22.5 m V；温度每升高10，反 向电流约增大一倍。 (1-33) 1. 最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向 平均电流。 2. 反向击穿电压U(BR)和最高反向工作电压UR U(BR)是二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 手册上给的最高反向工作电压UR一般是U(BR)的一半。 1.2.3 二极管主要参数 (1-34) 3. 反向电流 IR 指二极管加反向工作电压未击穿时的反向电流 。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反 向电流越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的 反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到 几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅 、保护等等。 (1-35) 4.最高工作频率fM交流参数 是二极管工作的上限频率。超过此 值时，由于二极管结电容的存在，二极 管将改变特性（尤其是单向导通特性） 实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承 受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频 率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。 (1-36) 1.理想模型 （大信号状态采用) 等效电路如下： 一、由伏安特性折线化得到的等效电路 1.2.4 二极管等效电路 由理想模型特性图可知，加 正向偏压时，二极管压降为0。 反向偏压时电阻为无穷大。相 当于有一理想开关。常用于整 流电路中 理想二极管 习题习题 1.2 电路如图图P1.2 所示，已知(V)，试画出 与的波形。设二极管导通电压可忽略不计。 图P1.2 解图P1.2 硅二极管：死区电压=0 .5 V，正向压降0.7 V 理想二极管：死区电压=0 V ，正向压降=0 V (1-38) 2.恒压降模型 正向导通时端电压为常量 u等效电路如图 理想二极管串联电压源VD （导通压降0.7 V） 自测题三、写出图中所示各电路的输出电压 值，设二极管导通电压UD=0.7 V。 UO1=1.3 V UO2=0 V UO3=-1.3 V UO4=2 V UO5=1.3 V UO6=-2 V 二极管导通压降很低，因而会在它所在的回路中串联一个适当的电阻来起 分压限流作用，防止二极管因正向电流过大而损坏。 加问：若V1分别为12 V、12.7 V、24 V时， 开关闭合时又会如何？ 若V1为12 V且开关闭合，二极管仍不足以导通，UO仍为12 V； 若V1为24 V且开关闭合，类似短路，二极管、电池（电池内阻很小，一般 为微欧、毫欧级）会因电流过大而烧毁。 若V1为