北京航空航天大学电子电路i第一章 [1]zqv

1、2021-11-20北京航空航天大学202教研室1第一章第一章 集成电路元、器件基础集成电路元、器件基础 介绍半导体的有关基础知识，阐述介绍半导体的有关基础知识，阐述pn结的原理及主要特性，结的原理及主要特性，讨论以讨论以pn结为基本结构的双极型晶体三级管（结为基本结构的双极型晶体三级管（bjt）和场效应管）和场效应管（fet）的工作原理、特性及主要参数。）的工作原理、特性及主要参数。2021-11-20北京航空航天大学202教研室21.1 半导体基础知识半导体基础知识半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料；半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料； 原子之间的原子之间的共价

2、键共价键很弱。很弱。2021-11-20北京航空航天大学202教研室3 现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是硅硅和和锗锗，它们的最外层，它们的最外层电子（价电子）都是电子（价电子）都是四个四个。gesi锗原子示意图锗原子示意图硅原子示意图硅原子示意图2021-11-20北京航空航天大学202教研室41.1.1 本征半导体本征半导体概念：完全纯净的、概念：完全纯净的、结构完整结构完整的半导体晶体。的半导体晶体。2021-11-20北京航空航天大学202教研室5在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在

3、正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电，共用一对价电子。子。硅和锗的硅和锗的晶体结构：晶体结构：2021-11-20北京航空航天大学202教研室6硅和锗的共价键结构：硅和锗的共价键结构：共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子2021-11-20北京航空航天大学202教研室7 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常

4、温下束缚电子很难脱离共价键成为常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，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。中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。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。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。共价键有很强的结共价键有很强的结合力，使原子规则合力，使原子规则排列，形成晶体。排列，形成晶体。+4+4+4+42021-11-20北京航空航天大学202教研室8本征激发：本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下 获得能量从共价

5、键中脱离出来成为自由电子的过程。获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。 本征激发过程产生两种载流子：本征激发过程产生两种载流子： 自由电子自由电子 空穴空穴复复 合：合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失 的过程。的过程。2021-11-20北京航空航天大学202教研室9+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子本征激发过程：本征激发过程：2021-11-20北京航空航天大学202教研室10本征半导体中载流子的浓度：本征半导体中载流子的浓度：)2exp(0230ktetapngii式中：式中：ni表示自由电子浓度，表示自由

6、电子浓度，pi表示空穴的浓度；表示空穴的浓度； a0是与半导体材料有关的常数；是与半导体材料有关的常数； k是波尔兹曼常数，是波尔兹曼常数，k=8.6310-5(ev.k-1)； eg0是是t=0k时的禁带宽度。时的禁带宽度。结论：结论：本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同相同， 具体浓度值与具体浓度值与半导体材料半导体材料和和温度温度有很大关系。有很大关系。2021-11-20北京航空航天大学202教研室111.1.2 杂质半导体杂质半导体概念：掺入了杂质元素的半导体。概念：掺入了杂质元素的半导体。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的在本征

7、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。子浓度大大增加。两种类型的杂质元素：两种类型的杂质元素： 施主杂质施主杂质（高价元素，提供电子）（高价元素，提供电子） 受主杂质受主杂质（低价元素，提供空穴）（低价元素，提供空穴）2021-11-20北京航空航天大学202教研室121.1.2.1 n型半导体型半导体概念：在本征半导体中掺入高价元素（概念：在本征半导体中掺入高价元素（施主杂质施主杂质）使）使 自由电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。自由电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。202

8、1-11-20北京航空航天大学202教研室13+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电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。自由电子称为子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），），空穴称为空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。2021-11-20北京航空航天大学202教研室141.1.2.2 p型半导体型半导体概念：在本征半导体中掺入低价元素（概念：在本征半导体中掺入低价元素（受主杂质受主杂质）使）使 空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体。空穴浓度大大高于自由电子浓度的

9、半导体。2021-11-20北京航空航天大学202教研室15+4+4+3+4硼原子硼原子p 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。空穴空穴2021-11-20北京航空航天大学202教研室16杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法:p 型半导体型半导体+n 型半导体型半导体 杂质杂质型半导体中多子和少子的定向移动都能形成电流。型半导体中多子和少子的定向移动都能形成电流。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。子与杂质浓度相等。2021-11-20北京航空航天大学202教研

10、室171.1.2.3 杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 结论结论： 杂质半导体中，自由电子和空穴浓度的杂质半导体中，自由电子和空穴浓度的乘积乘积等于同温等于同温 度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度平方平方。 杂质半导体中，多子的浓度杂质半导体中，多子的浓度近似等于近似等于掺杂浓度，少子掺杂浓度，少子 浓度随温度升高而迅速增大。浓度随温度升高而迅速增大。nnpn=ni2=pi2nppp=ni2=pi2nn=nd+pnpp=na+npn型半导体：型半导体：p型半导体：型半导体：式中：式中：nn表示表示n型半导体中自由电子浓度，型半导体中自由电子

11、浓度，pn表示表示n型半导体中型半导体中 空穴浓度，空穴浓度，np表示表示p型半导体中自由电子浓度，型半导体中自由电子浓度，pp表示表示p 型半导体中空穴浓度，型半导体中空穴浓度，ni、pi分别表示本征半导体中自由分别表示本征半导体中自由 电子和空穴浓度，电子和空穴浓度，nd表示施主杂质浓度，表示施主杂质浓度，na表示受主杂表示受主杂 质浓度质浓度记忆记忆2021-11-20北京航空航天大学202教研室181.1.3 载流子在半导体内的运动载流子在半导体内的运动1.1.3.1 载流子在电场作用下的漂移运动载流子在电场作用下的漂移运动概念：在外加电场作用下，自由电子和空穴产生定向运动概念：在外加

12、电场作用下，自由电子和空穴产生定向运动jpt=p qpejnt=-(-q)nn e= n qne jt=jpt+jnt=(pp+nn)qe式中：式中：jpt 表示空穴漂移电流密度表示空穴漂移电流密度 jnt 表示电子漂移电流密度；表示电子漂移电流密度； jt 表示漂移电流密度；表示漂移电流密度； n 表示自由电子迁移率；表示自由电子迁移率； p 表示空穴迁移率。表示空穴迁移率。2021-11-20北京航空航天大学202教研室191.1.3.2 载流子在浓度梯度作用下的扩散运动载流子在浓度梯度作用下的扩散运动概念：在浓度差的作用下，自由电子和空穴产生的定向运动概念：在浓度差的作用下，自由电子和空

13、穴产生的定向运动dxxdpqdjppd)(dxxdnqddxxdndqjnnnd)()()(式中：式中：jnd 表示电子电流密度；表示电子电流密度； jpd 表示空穴电流密度；表示空穴电流密度； dn 表示自由电子扩散率；表示自由电子扩散率； dp 表示空穴扩散率。表示空穴扩散率。2021-11-20北京航空航天大学202教研室201.2 pn1.2 pn结与晶体二极管结与晶体二极管在在同一片半导体基片同一片半导体基片上，分别制造上，分别制造p p型半导体和型半导体和n n型半导型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了pnpn 结。结。

14、1.2.1 pn结的动态平衡过程和接触电位差（结的动态平衡过程和接触电位差（书中书中p8！） p型区到型区到n型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大，在浓度差下形成很大，在浓度差下形成扩散运动扩散运动，p区的空穴（多子）向区的空穴（多子）向n区扩散，区扩散，n区的自由电子（多子）向区的自由电子（多子）向p区扩散区扩散 在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个失，在过渡带中产生一个空间电荷区空间电荷区（耗尽区）（耗尽区） 扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电位差和电场

15、，扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电位差和电场，分别称为分别称为接触电位差接触电位差和和内建电场内建电场 内建电场由内建电场由n区指向区指向p区阻碍多子的扩散运动，却促进过区阻碍多子的扩散运动，却促进过渡带中少子的渡带中少子的漂移运动漂移运动2021-11-20北京航空航天大学202教研室21 漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随着扩着扩散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态，即内散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态，即内建电场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等，这种平建电场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等

16、，这种平衡称为衡称为动态平衡动态平衡pn结的接结的接触电位差：触电位差：pntnptnnvppvvlnln22lnlniadtinptnnnvnnpvvt=300k 时，时，vt 26mv，为热力学电压；，为热力学电压；锗的锗的v0.20.3v，硅的，硅的v0.60.8v 这时过渡带中的接触电位差，内建电场强度，空间电荷区这时过渡带中的接触电位差，内建电场强度，空间电荷区宽度均处于稳定值，这时我们认为宽度均处于稳定值，这时我们认为pn结已经形成，并把结已经形成，并把p、n的过渡带称为的过渡带称为pn结结，pn结的宽度为空间电荷区的宽度。结的宽度为空间电荷区的宽度。2021-11-20北京航空航

17、天大学202教研室22p p型半导体区型半导体区n型半导体区型半导体区+扩散运动扩散运动内建电场内建电场e漂移运动漂移运动扩散的结果是使空扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽间电荷区逐渐加宽内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。2021-11-20北京航空航天大学202教研室23p型半导体区型半导体区n型半导体区型半导体区+所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个所以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。区之间

18、没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。2021-11-20北京航空航天大学202教研室24 空间空间电荷区电荷区n型区型区p p型区型区v0+接触电位差接触电位差,锗的锗的v0.20.3v，硅的，硅的v0.60.8v2021-11-20北京航空航天大学202教研室251.2.2 pn结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型在在pn结上加结上加欧姆接触欧姆接触电极引出管脚便构成电极引出管脚便构成晶体二极管晶体二极管欧姆接触：欧姆接触：通过隧道效应，消除金属半导体势垒的接触方式通过隧道效应，消除金属半导体势垒的接触方式引线引线外壳外壳触丝线触丝线基片基片点

19、接触型点接触型面接触型面接触型pn二极管的电路符号：二极管的电路符号：2021-11-20北京航空航天大学202教研室261.2.2.1 单向导电性单向导电性 pn pn 结加上结加上正向电压正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是：的意思都是： p p区加正、区加正、n n 区加负电压。区加负电压。 pn pn 结加上结加上反向电压反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： p p区加负、区加负、n n 区加正电压。区加正电压。概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。2021-11-20北京航空航天大学202教研室27+repn

20、 结正向偏置：结正向偏置：内电场内电场外电场外电场变薄变薄pn+_多子浓度增加，多子浓度增加，结宽变薄，多子的结宽变薄，多子的扩散加强能够形成扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。内电场被削弱，内电场被削弱，电势差变为电势差变为vf-v，抑制少子漂移。抑制少子漂移。问题：正偏时，多子浓度如何变化？问题：正偏时，多子浓度如何变化？结宽如何变化？结宽如何变化？2021-11-20北京航空航天大学202教研室28pn 结反向偏置：结反向偏置：+内电场内电场变厚变厚np+_多子浓度减少，结多子浓度减少，结宽变厚，多子的扩散宽变厚，多子的扩散受抑制。受抑制。内电场增内电场增强，电势差变为强，电

21、势差变为vf+v，少子漂移加，少子漂移加强，但少子数量有限，强，但少子数量有限，只能形成较小的反向只能形成较小的反向电流。电流。re 外电场外电场问题：反偏时，多子浓度如何变化？问题：反偏时，多子浓度如何变化？结宽如何变化？结宽如何变化？2021-11-20北京航空航天大学202教研室291.2.2.2 伏安特性伏安特性 伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间的的关系式关系式或或曲线曲线。二极管理想伏安特性可用二极管理想伏安特性可用pn结的结的电流方程电流方程来表示：来表示：) 1(exptdsdvvii式中：式中：id 表示流过二极管的电

22、流；表示流过二极管的电流； vd 表示二极管两端的电压，正向偏置为正；表示二极管两端的电压，正向偏置为正； is 表示反向饱和电流（硅：表示反向饱和电流（硅：10-910-15 a）。）。2021-11-20北京航空航天大学202教研室30 二极管的伏安特性曲线：二极管的伏安特性曲线：ui死区电压死区电压 硅管硅管0.5v,锗管锗管0.1v。导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.8v,锗管锗管0.20.3v。反向击穿反向击穿电压电压vbr2021-11-20北京航空航天大学202教研室311.2.2.3 二极管的电阻二极管的电阻直流等效电阻直流等效电阻 rd：dddivr 交流（动态）电阻交流（动态）电阻 rd：ddqdddivdvdir22)(1