模拟电子技术第1章.

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1、1,第 1 章,半导体器件,退出,2,1.3 特殊二极管.62,1.2 PN结与晶体二极管22,1.1 半导体的基础知识3,1.4 晶体三极管70,1.5 场效应晶体管90,目 录,退出,3,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 载流子的运动方式及形成的电流,退出,返回,4,1. 半导体及其材料,常用半导体材料有: 硅（Si）、锗（Ge）等,退出,返回,导体 : 电阻率 小于10-3cm 绝缘体: 大于108cm 半导体: 介于导体和绝缘体之间,5,掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率 大大下降而导电能力显著增强。据此可制作 各种半导体

2、器件，如二极管和晶体管等。,2. 半导体的特性,退出,返回,6,光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。据此可制作各种光电器件，如光敏电阻、光电二极管、光电晶体管等。,2. 半导体的特性,热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。,退出,返回,7,半导体的原子结构,本征半导体：化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单 晶体形态。,硅(Si),锗(Ge),3. 本征半导体概念,退出,返回,8,半导体的共价键结构,共价键,共价键中的两个价电子,原子核,3. 本征半导体概念,退出,返回,9,本征激发（热激发）,4

3、. 本征半导体的导电机理,价 电 子,价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。,该现象称为本征激发(热激发),退出,返回,10,4. 本征半导体的导电机理,空穴,价 电 子,自由电子,在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)：,成对的电子和空穴,复 合：自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消失。,退出,返回,11,4. 本征半导体的导电机理,自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。,在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡， 半导体中载流子便维持一定的数目。,退出,返回

4、,12,1.1.1 本征半导体,小结,（1） 半导体及其材料 （2） 半导体特性 （3） 本征半导体概念 （4） 本征半导体的导电机理,退出,返回,13,杂质半导体可分为： N(电子)型半导体和P(空穴)型半导体两类,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量其他元素而得到的半导体。,退出,返回,14,1.N型半导体,在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。,结构图,退出,返回,15,掺杂后，某些位置上的 硅原子被五价杂质原子（如磷 原子）取代。磷原子的5个价 电子中，4个价电子与邻近硅 原子的价电子形成共价键，剩 余价电子只要获取较小能量即 可成为自由电子。同时，提供电子的

5、磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂质。常温下施主杂质已被全部电离。,1. N型半导体,退出,返回,16,这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。,可见：在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子）；空穴是少数载流子（简称少子）。,N型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。,1. N型半导体,退出,返回,17,在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。,结构图,2. P型半导体,退出,返回,18,掺杂后，某些位置上的 硅原子被三价杂质原子（如硼 原子）取代。硼原子有3个价 电子，与邻近硅原子的

6、价电子 构成共价键时会形成空穴， 导致共价键中的电子很容易 运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。常温下受主杂质已被全部电离。,2. P型半导体,退出,返回,19,这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。,可见：在P型半导体中空穴是多数载流子(简称多子) ,自由电子是少数载流子（简称少子）。,P型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。,2. P型半导体,退出,返回,20,扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。 扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流

7、。,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,1.扩散运动及扩散电流,退出,返回,21,漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,漂移电流大小与电场强度成正比,2.漂移运动及漂移电流,退出,电位差 漂移运动 漂移电流,电场力,返回,22,1.2 PN结与晶体二极管,1.2.1 PN结的基本原理,1.2.2 晶体二极管,1.2.3 晶体二极管应用电路举例,退出,返回,23,1.PN结的形成,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散

8、，N区电子向P区扩散。,另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负 离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生 内建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂 移运动，而阻止多子扩散运动。,区,区,退出,返回,24,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差,P区的空穴要 向N区扩散,N区的电子要 向P区扩散,P区留下带负 电的受主离子,N区留下带正 电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,退出,返回,25,U ： 势垒电压 0.6V （硅材料） U = 0.2V（锗材料）,PN结平衡,空间电荷区/耗尽层,U,内建电场,1. PN结的形成,P区,P区

9、,N区,N区,退出,返回,26,退出,小结 （1）载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。 （2）漂移运动等于扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。 PN结没有电流通过。 （3）若P区和N区掺杂浓度相同，则 ；若为 结， 则 。,返回,27,2. PN结的特性,（1） 单向导电性 （2） 击穿特性 （3） 电容效应,退出,返回,28,(1)单向导电性,2. PN结的特性,P区,N区,退出,返回,29,U,UU,合成电场,(1)单向导电性,PN结加正向电压,2. PN结的特性,PN结外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过势垒的多数载流

10、子数量大大增加，而反方向的漂移电流要减小，扩散电流起主导作用。,P区,N区,退出,返回,30,流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为,U,UU,合成电场,PN结正向导通状态,PN结加正向电压,P区,N区,退出,返回,31,U,U +U,合成电场,(1)单向导电性,PN结加反向电压,2. PN结的特性,PN结加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零；而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。,P区,N区,退出,返回,32,U,U +U,合成电场,流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)

11、，PN结呈现为大电阻。该状态称为,PN结反向截止状态,PN结加反向电压,P区,N区,退出,返回,33,退出,返回,小结 （1）PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和 电流IS，考虑到 ，则认为PN结截止。 （2）PN结正向导通、反向截止的特性称为PN结的单向导 电特性。,34,击穿：PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而PN结两端电压基本不变的现象。,(2)击穿特性,2. PN结的特性,击穿不一定导致损坏。,击穿电压UZ,退出,利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,返回,35,雪崩击穿,击穿分类,(2)击穿特性,

12、2. PN结的特性,齐纳击穿,退出,返回,36,雪崩击穿(碰撞击穿),反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其他的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。,(2)击穿特性,2. PN结的特性,退出,返回,37,齐纳击穿(电场击穿),当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到105Vcm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子空穴对，使载流子突然增多

13、，产生击穿现象，称为齐纳击穿。,掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,(2)击穿特性,2. PN结的特性,退出,返回,38,PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。,分类,势垒电容 CT,扩散电容 CD,(3)电容效应,2. PN结的特性,退出,返回,39,势垒电容CT,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电

14、容。,(3)电容效应,2. PN结的特性,退出,CT0为外加电压为零时的势垒电容，U为PN结的 外加电压（加反向电压时U0）, 为结变系数。,返回,40,扩散电容CD,CD 值与PN结的正向电流I成正比 。,由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合储存所产生。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近； 同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合储存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。,(3)电容效应,2. PN结的特性,tP ：空穴寿命,tN ：电子寿命,UT ：热电压,I:正向电流,退

15、出,返回,41,小结 （1）PN结正向运用时 CT、CD同时存在，CD起主要作用 （2）PN结反向运用时，只有CT,(3)电容效应,2. PN结的特性,退出,返回,42,点接触型,面结合型,平面型,符号,1. 结构与符号,退出,返回,43,伏安特性曲线,2. 伏安特性,小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线。,退出,返回,44,伏安特性曲线,2. 伏安特性,存在反向饱和电流 IS,反向特性 曲线近似呈水平线，略有倾斜,退出,返回,45,伏安特性曲线,2. 伏安特性,击穿特性 反向电流急剧增加而二极管端电压近似不变。 （PN结击穿）,退出,返回,46,伏安特性的温度特性,(c)击穿特性,(b)反向特性,(a)正向特性,T则Ur,T则IS ,T则UZ(雪崩击穿) T则UZ(齐纳击穿),2. 伏安特性,退出,返回,47,正向特性近似,反向特性近似,伏安特性数学表达式,2. 伏安特性,式中,退出,返回,48,表征性能,性能参数 ,表征安全工作范围,极限参数 ,3. 主要参数,参数,退出,返回,49,直流电阻 RD 定义: RD是 u 或 i 的函数,（1）性能参数,3. 主要参数,退出,返回,50,交流电阻 rd 定义: 计算:,（1）性能