半导体基础知识入门学习

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1、模拟电子技术基础目 录第一章 常用半导体器件第二章 基本放大电路第三章 多级放大电路第四章 集成运算放大电路第五章 放大电路的频率响应第六章 放大电路中的反馈第七章 信号的运算和处理第八章 信号的发生和信号的转换第九章 功率放大电路第十章 直流电源管路信号单方向传 输信号双向传输小信号放大电路大信号微变等效法图解分析法单级放大电路多级放大电路分立元件电路提供能源的电路信号源0 导言0.1 电信号 0.2 电子信息系统 0.3 电子技术的课程体系0.1 电信号温度波动曲线声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可 以用信号波形来表示。电子系统处理的是电信号，它由相应的物理量 通过传感器转换而得到。

2、信号：信息的载体是研究电子器件、电子电路及其应用的电子技术模拟电子技术：数字电子技术：研究模拟信号研究数字信号 模拟信号：在时间上和幅值上都是连续变化的信号数字信号：在时间上和幅值上都是离散的信号（模拟信号）（数字信号）（数值的变化总是发生在一系列离散的瞬间；电子技术：数值的大小及增减总是某一个最小单位的整数倍。）科学技术。返回温度传感 （输入）信号放大信号滤波控制执行 （输出）功率放大数模转换数字逻辑 电路模数转换恒温 装置模拟小信号电路数字电路非电子物理 系统模拟大信 号电路电子系统0.2 电子信息系统返回0.3 电子技术的课程体系模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技 术

3、基础课程，对于继续学习有关专业课程有着重要的影响。理论基础：电路理论 同步课程：数字电子技术 后续课程：微机原理等返回1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 晶体三极管1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管1.6 集成电路中的元件 本章要求掌握：二极管、三极管的外特性及主要参数的 物理意义理解：PN结 、二极管的单向导电性、稳压管的稳压作用 及三极管的放大作用了解：二极管、三极管的选用原则1.1 半导体基础知识1.1.1 本征半导体1.1.2 杂质半导体1.1.3 PN结半导体的导 电机制1.典型的半导体材料元素硅（Si）、锗（Ge）化合物砷化镓（GaAs）掺杂元素或化合物硼（

4、B）、磷（P）半导体3. 半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。2.导体、绝缘体和半导体的划分根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。导体 绝缘体导电能力用电阻率(或电导率）来描述：导体 10-4cm绝缘体109cm半导体半导体4. 半导体的共价键结构14原子核电子价电子硅的原子结构硅 14 1s2，2s2，2p6，3s2，3p2 锗 32 1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10， 4s2，4p21. 本征半导体(导体 10-4cm ,半导体常见材料 硅(Si) 锗(Ge)1.1.1 Ge和Si原子的简化模型 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。绝缘体 109cm)10-4cm 1

5、09cm1.1.1 本征半导体2. 本征半导体晶体结构图1.1.2 本征半导体晶体结构示意图共价键结合力强本征半导体导力弱晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式3. 本征半导体中的两种载流子热力学零度 （T=0K）,半导体中没有自由电子,相当于 绝缘体。本征半导体不导电。 常温（T=300K）热激发（本征激发）：共价键中的价电子能量自由电子空穴+(+)(-)在电场的作用下空穴运动：价电子填补空穴的运动晶体共价键结构平面示意图图1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴 +4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由电子当温度升高或受到光的照 射时(T 0K)，价电子能量 增高，有的价电子可以挣

6、脱原子核的束缚，由价带 进入导带，而参与导电， 成为自由电子。自由电子产生的同时，在其 原来的共价键中就出现了一 个空位，原子的电中性被破 坏，呈现出正电性，其正电 量与电子的负电量相等，人 们常称呈现正电性的这个空 位为空穴。图1.1.4 自由电子进入空穴产生复合运动复合：自由电子和空穴相遇温度T一定,ni（自由电子浓度）T=pi(空穴浓度）ni =pi 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？+4+4+4+4+4+4+4+4+4温度越高，载流子的浓度越高。 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

7、素，这是半导体的 一大特点。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对 出现的，称为电子空穴对。在外电场作用下，空穴 可以自由在晶体中运动，从而和自由电子一样可以 参加导电，载流子为自由电子和空穴，载流子越多 ，导电能力越强，但不如导体。1.1.2 杂质半导体在本征半导体中人为掺入微量的杂质，称为杂质半导体。掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。1. 半导体的掺杂在硅（锗）单晶中掺 入少量三价元素（硼 ），则三价元素原子 在晶格中缺少一个价 电子，从而产生一个 空穴。空穴原因：掺杂（90 以上）本征激发 （空穴、自由电子）2. 三价元素掺杂P(空穴)

8、 型半导体P 型半导体这一现象称为受主电离。 空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在 邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。 空位俘获电子后，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。 负离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度 。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，它主要由 掺杂形成；自由电子是少数载流子，它仍由热 激发形成。3. 五价元素掺杂N(电子) 型半导体在硅（锗）单晶中掺 入少量五价元素(磷) ，则五价元素原子在 晶格中多余一个价电 子。1000个自由电子掺 杂900个本征激发 100个（100个空穴）+N 型半导体 多余价电子容易

9、成为自由电子，可以参与导电。 提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成 为正离子，因此五价杂质原子称为施主杂质。 正离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度等于掺杂浓 度。 在 N 型半导体中自由电子是多数载流子，它主要 由掺杂形成；空穴是少数载流子，它仍由热激发形 成。 P 型半导体和N 型半导体掺入微量杂质元素后,导电 能力大大提高,但并不用来导电。呈电中性?这一现象称为施主电离在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。杂质半导体的示意表示法：P(空穴) 型半导体+N (电子)

10、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。N型半导体P型半导体自由电子（掺杂形成）多子空穴（掺杂形成）空穴（热激发形成）自由电子（热激发形成）少子呈电中性综上所述：4.载流子的产生与复合产生：价电子获得额外的能量（激发能），从价 带跃迁到导带，而产生载流子的过程。产生的形式：本征激发（电子空穴对）、施主 电离、受主电离。复合：自由电子与空穴相遇，重新填入共价键中 空穴的过程，复合使自由电子和空穴成对地消失 。复合与产生是半导体的一对矛盾，在一定温度 下，二者处于一定的动态平衡中。P型半导体+N型半导体在一块完整的

11、本征硅（或锗）片上，用不同的 掺杂工艺一边形成N型半导体，一边形成P型半导体 。在这两种半导体交界面附近形成的一个特殊性质的 薄层，称为PN结。1.1.3 PN结1. PN结的形成漂移运动：在电场作用下，载流子的运动。 漂移电流扩散运动：同类载流子由于浓度差引起的运动 。扩散电流内电场少子的漂移运动P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体内电场越强，漂内电场越强，漂 移运动越强，而漂移运动越强，而漂 移使空间电荷区变移使空间电荷区变 薄。薄。扩散的结果使空间 电荷区变宽。+空间电荷区P(N)区中同类载流子浓度差多子的扩散产生空间电荷区（内电场）促进少子漂移扩散与漂移运动达到 态平衡时，

12、PN结形成阻止PN结的形成过程对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 (0.5m0.75mm) , 也称耗尽层,阻挡层,势垒区,内电场区,离子区。因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。平 衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向 相反，所以无外加电场或其他激发因素时， PN 结中没有电流。多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区小 结考虑外加电压于PN结上，根据外加电压的极性有两种情况1.PN结加正向偏置电压（正偏）：PN结加正向电压时的导电情况2 PN结的特点外加电压使内电场减小 以致 阻挡

13、层变窄 多子形成的扩散电流 增加 漂移电流减小从电源正极有流入P 区 的正向电流P 区接电源正极PN结加反向电压时的导电情况由于在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加 反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 N 区接电源正极外加电压使内电场增加以 致 阻挡层加宽 扩散电流进一步减小趋 于零 少子形成的漂移电流居 支配地位从电源正极有流入N 区的 很小的反向电流2 PN结加反向偏置电压（反偏）： PN结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻； PN结导通 PN结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。 PN结截止 PN结

14、具有单向导电性。结论3 PN结V- I 特性（伏安特性）表达式习惯: P(+),N(-)为参考方向PN结的伏安特性 门坎电压(死区电压Vth)：导通 、未导通的分界； 导通条件：V Vth；(与材料 有关,Si :0.5V,Ge:0.1V) 导通后特征(Si)：0.60.8V,约 0.7V左右(具体由实测或计算机 仿真); 截止条件: V Vth; (对内电场 克服不够) 截止后特征:电流几乎为0。其中:PN结的伏安特性IS 反向饱和电流。反向截止的少子电流，越小越好，与温度变化有关VT 温度的电压当量常温下（T=300K）：vDPN结外加电压可推知：PN结加正压，VD0.7V，PN结加反压，

15、VD为负值，若 比 大几倍时, 。可见,反向电流是个常数 ，不随外加反向电压的大小而变动。当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电 流突然快速增加，此现象 称为PN结的反向击穿。4 PN结的反向击穿1).PN结的反向击穿现象强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗 PN结温升高本征激发加剧反向电流更大连锁反应反向电压增加 少子漂移加快 动能增加 碰撞电离连锁反应2) . 击穿的物理本质（1）雪崩击穿：碰撞电离（2）齐纳击穿：场致激发（3）热击穿： PN结过热电击穿齐纳击穿：雪崩击穿：热击穿具有可 逆性具有破 坏性图1.1.10 PN结的伏安特性正向特性：反向特性：u0时，i -Is击穿特性： U(BR)时，i小结:5.