电子线路——线性部分第四版 .ppt

电子线路 线性部分 第四版 第一章前言第一节半导体物理基础知识第二节pn结第三节晶体二极管电路的分析方法第四节晶体二极管的应用 第一章晶体二极管 第一章晶体二极管 前言无论何种用途的电子系统 均由各种功能的电子线路组成 电子线路是指包含有电子器件 并能对电信号实现某种功能处理的电路 它由电子器件加外围电路构成 常用的电子器件有 晶体 半导体 二极管 三极管 场效应管 集成电路等 外围电路主要由直流电源 电阻 电容以及集成电路中常用的电流源电路等组合而成 不同半导体器件具有不同的特性 而同一种半导体器件 当外围电路提供不同条件时 电路又会呈现不同的功能 因此 要掌握各种功能电路的工作原理 性能特点 首先要了解各种半导体器件的外特性 掌握器件在不同条件下的等效模型及分析方法 然后再根据外部电路提供的条件 分析电路的功能和所能达到的性能 本章在简要了解半导体基本知识的基础上 重点掌握器件的外特性 熟悉二极管的各种模型 并会利用模型分析功能电路 1 1教学要求 1 了解pn结的基本特性2 熟悉晶体二极管的数学模型 曲线模型 简化电路模型 掌握各种模型的特点及应用场合 3 熟悉二极管电路的三种分析方法 图解法 简化分析发 小信号分析法 能熟练利用简化分析法分析各种功能电路4 本章1 4节与1 5节根据教学需要 可作为扩展内容 第一节半导体物理基础知识 半导体 是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 一 本征半导体 电阻率在 锗与硅的原子结构模型 a 硅 b 锗 c 惯性核模型 锗与硅都是单晶体 硅和锗的单晶体称为本征半导体 二 本征激发和复合 本征激发 当温度升高或受到光线照射时 某些共价键中的价电子从外界获得足够的能量 从而挣脱共价键的束缚 离开原子而成为自由电子 同时 在共价键中留下相同数量的空位 这种现象称为本征激发 实际上 在自由电子 空穴对产生过程中 还同时存在着复合过程 这就是自由电子在热骚动过程中和空穴相遇而释放能量 造成自由电子 空穴对消失的过程 锗和硅共价键结构示意图 空穴在晶格中移动示意图 结果 产生两种载流子 即自由电子和空穴 这也是导体和半导体导电不同之处 由与带负电荷的价电子依次填补空位的作用与带正电荷的粒子作反方向运动的效果相同 因次 可以把空位看作带正电荷的载流子 并把它称为空穴 三 热平衡载流子浓度 当温度一定时 上述本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值 即单位体积内的载流子数 上达到动态平衡 表示热平衡自由电子浓度值 表示热平衡空穴浓度值 单位为 式中 a是常数 硅为 锗为 k是波尔兹曼常数 j为焦耳 ego是t 0k时 禁带宽度 硅为 1 21ev 锗为 0 785ev 由上式可知 热平衡载流子浓度值与温度有关 即随温度升高 而迅速增大 导电能力也相应增大 例如 当t 300k时 可求得 硅 锗 必须指出 热平衡载流子浓度值ni 或pi 的数值虽然很大 但它仅占原子密度很小的百分数 例如 硅的原子密度为 说明本征半导体的导电能力是很低的 1 1 2杂质半导体 杂质半导体 在本征半导体中 掺入一定量的杂质元素 就成为杂质半导体 是提高半导体的导电能力 增加载流子浓度 即增加自由电子的浓度或空穴的浓度 在本征半导体中 掺入少量的五价元素 可使自由电子浓度增加 掺入少量的三价元素 可使空穴浓度增加 按掺入的杂质不同 杂质半导体分为n型半导体和p型半导体两种 从目前的角度来看掺杂目的 掺杂原理 掺杂方式 n型半导体结构示意图 一 n型半导体 在晶体中自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体 特点 与本征激发产生的载流子浓度相比 n型半导体中自由电子浓度很大 而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大 空穴浓度反而更小 因此在n型半导体中将自由电子称为多数载流子 简称多子 空穴称为少子 并将五价元素称为施主杂质 p型半导体结构示意图 二 p型半导体 在晶体中空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体 特点 与本征激发产生的载流子浓度相比 p型半导体中空穴浓度很大 而自由电子与空穴相遇而复合的机会增大 自由电子浓度反而更小 因此 在p型半导体中将空穴称为多数载流子 简称多子 自由电子称为少子 并将三价元素称为受主杂质 三 多子和少子热平衡浓度 不论p型或n型半导体 掺杂越多 多子数目就越多 少子数目就越少 它们之间服从下面介绍的二个关系式 1 满足相应的热平衡条件 no为自由电子的热平衡浓度值 po为空穴的热平衡浓度值 2 满足电中性条件 整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷量 设 nd为施主杂质浓度 即五价杂质元素 na为受主杂质浓度 即三价杂质元素 例如 在一块n型半导体中 带负电荷的仅有多子自由电子 而带正电荷的有已电离的杂质原子和少子空穴 在室温下 杂质原子已全部电离 这样它的电中性条件为 通常nd的值远大于ni因而nd也就远大于po 因此上式可近似认为 即多子浓度近似等于掺杂浓度 同理 在一块p型半导体中带正电荷的仅有多子空穴 而带负电荷的有已电离的杂质原子和少子自由电子 在室温下 杂质原子已全部电离 这样它的电中性条件为 即多子浓度近似等于掺杂浓度 1 当t 300k时 解 根据热平衡条件 得 po ni no故为p型半导体 已知 根据电中性条件 多子热平衡浓度 根据电中性条件 多子热平衡浓度no nd1 根据热平衡条件 故no ni po故为n型半导体 2 若在掺入浓度为 的施主杂质 即 已知nd na 施主杂质浓度 根据电中性条件 多子热平衡浓度为 根据热平衡条件 故no ni po故为n型半导体 则有 根据热平衡条件 则有 故no ni po故为本征硅半导体 小结 在杂质半导体中 多子浓度近似等于掺杂浓度 其值几乎与温度无关 而少子浓度却随温度升高而显著增大 直到少子浓度增大到与多子浓度相当 杂质半导体又回复到类似的本征半导体 1 1 3二种导电机理 漂移和扩散 1 半导体和导体的导电区别 导体中只有自由电子一种载流子参与导电 它是在电场作用下产生定向的漂移运动 形成漂移电流 半导体中有自由电子和空穴二种载流子 它们除了在电场作用下形成漂移电流外 还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动 形成相应的扩散电流 2 漂移与漂移电流 设 jnt为自由电子的漂移电流密度 jpt为空穴的漂移电流密度 因此他们可表示为 总的的漂移电流密度为 其中 p和n分别为空穴和自由电子的浓度 库仑 为电子电荷量 e为外加电场强度 单位为v cm p为空穴的迁移率 单位 n为自由电子的迁移率单位 表示单位场强下的平均漂移速度 其值与温度 载流子性质 半导体材料和掺杂浓度等 因素有关 温度越高 掺杂浓度越大 迁移率就越小 空穴的迁移率比自由电子小 即 硅材料中 锗材料中 迁移率 硅材料中的载流子迁移率比锗材料中的载流子迁移率要小 计算如图所示的半导体材料呈现的电阻 若设半导体材料的长度为l 截面积为s 加在半导体材料二端的电压为v el 通过其间的电流为it jts 其中 为电阻率 单位 cm 为电导率 单位为s cm 西门子 厘米 因此根据欧姆定律得 该半导体材料呈现的电阻为 解 当t 300k时 不掺杂 自由电子和空穴热平浓度值为 则 根据电中性条件 多子热平衡浓度 根据热平衡条件 少子热平衡浓 掺杂前的电导率 掺杂后的电导率 电导率之比 此例表明 少量掺杂 电导率比本征半导体电导率高六 七个数量级 讨论光照对半导体导电能力的影响 设有足够强度的光均匀地照射在半导体上 半导体的热平衡条件受到破坏 由光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上 由光照产生的载流子称为非平衡载流 其浓度值分别为 n与 p 并且有 n p 则总的载流子浓度值 分别为 故半导体的电导率为 式中 称为热平衡电导率 称为光电导率 3 扩散与扩散电流 扩散 与由热骚动造成的随机运动相关 例如 一块处于热平衡状态的半导体中 均匀分布的自由电子和空穴不会因随机运动而造成电荷的定向流动 虚线为半导体中任一假想面 两侧存在浓度差 因而造成载流子沿x方向的净流动 类似于定向运动 这种因浓度差引起载流子的定向运动称为扩散运动 相应产生的电流称为扩散电流 若设n x 和p x 随x的变化率 即浓度梯度 分别为 和 则单位时间内通过单位