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1、模拟电子电路章()西北工业大学演示文稿(4-1)1页，共40页，星期四。(4-2)（优选）模拟电子电路章()西北工业大学2页，共40页，星期四。结构特点：、外层个电子；、外层个电子；、共价健、共价健半导体特性半导体特性：物质的导电能力由物质原子的内部 结构和原子间的组合方式决定。2 -1 半导体基础知识3页，共40页，星期四。硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图(c)2 -1 半导体基础知识导电特点、受光照影响、受光照影响、受掺杂影响、受掺杂影响1、无自由电子、无自由电子、温度影响、温度影响4页，共40页，星期四。2.1.1 本征半导体化
2、学成分纯净的半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。纯净的含义无杂质晶体结构完整2 -1 半导体基础知识5页，共40页，星期四。一、一、半导体中的载流子半导体中的载流子、热力学温度0K无外界激发2.1.1 本征半导体2 -1 半导体基础知识6页，共40页，星期四。2.1.1 本征半导体本征半导体2、热力学300K室温，产生自由电子一、半导体中的载流子光照激发(c)自由电子空穴本征激发7页，共40页，星期四。一、半导体中的载流子、热力学温度0K无外界激发自由电子：自由电子： 价电子能量增高，有的价电子挣脱原子核的束缚，而参与导电。2、热力学300K室温，产生自由电子空穴：空穴：
3、价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。2.1.1 本征半导体2 -1 半导体基础知识8页，共40页，星期四。 3、 空穴的移动（动画2-1）空穴在晶格中的移动9页，共40页，星期四。本征激发和复合的过程（动画1-1）2.1.1 本征半导体本征半导体二、本征激发和复合2 -1 半导体基础知识10页，共40页，星期四。 价电子获得能量挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发 本征激发本征激发复合复合 自由电子释放能量而进入有空位的共价键，使自由电子和空穴成对消失这一现象称为复合 。 在外电场作用下电子空穴对作定向运动形成的电流。漂移
4、电流漂移电流产生电子空穴对11页，共40页，星期四。导电性能发生变化(1) N型半导体(2) P型半导体2.1.2 杂质半导体在本征半导体中参入杂质的半导体称杂质的半导体 杂质主要是三价或五价元素参入少量五价元素参入少量三价元素2 -1 半导体基础知识TextTextText参杂参杂结果结果形成两种半导体材料12页，共40页，星期四。 (1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素（例如磷），可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素（例如磷），可形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。自由电子13页，共40页，星期四。(2) P型半导体 提供自由电子的五价杂质原子因带正电
5、提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主施主杂质杂质。本征激发本征激发本征激发本征激发参杂参杂参杂参杂本征激发本征激发本征激发本征激发 电子是电子是多数载流子多数载流子，主要由掺杂形成；，主要由掺杂形成； 空穴是空穴是少数载流子少数载流子，由热激发形成，由热激发形成。14页，共40页，星期四。(2) P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成了形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。 空穴15页，共40页，星期四。(2) P型半
6、导体 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。本征激发本征激发本征激发本征激发参杂参杂参杂参杂本征激发本征激发本征激发本征激发 空穴是空穴是多数载流子多数载流子，主要由掺杂形成；，主要由掺杂形成； 电子是电子是少数载流子少数载流子，由热激发形成，由热激发形成。16页，共40页，星期四。本征本征 室室温温下下, ,本本征征激激发发产产生生的的电电子子和和空空穴穴浓浓度度: :n = p =1.41010/cm3掺杂掺杂Add Your Title 掺杂浓度掺杂浓度: :n =51016/cm3本征
7、硅本征硅Add Your Title本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm32.1.3 2.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响2 -1 半导体基础知识典型的数据如下:17页，共40页，星期四。2.1.4 半导体中的电流半导体中的电流飘移电流扩散电流 在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。 电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。 由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处扩散，形成扩散电流。 扩散电流大小与浓度梯度有关。2 -1 半导体基础知识18页，共40页，星期四。2.2 PN结结2.2.1 PN结的形成2.2.2 PN结的单向导电性2.2.3
8、 PN结的击穿特性2.2.4 PN结的电容效应19页，共40页，星期四。 2.2.1 PN结的形成结的形成 N型半导体和型半导体和P型半导体紧密结合在一起。在型半导体紧密结合在一起。在N型型半导体和半导体和P型半导体的结合面上形成型半导体的结合面上形成PN结结。扩散电流20页，共40页，星期四。内电场1.随着扩散运动的进行，随着扩散运动的进行，2.在界面在界面N区的一侧，杂质变成正离子；区的一侧，杂质变成正离子；3.在界面在界面P区的一侧，杂质变成负离子。区的一侧，杂质变成负离子。4.在在N型和型和P型半导体界面的型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；型区一侧会形成正离子薄层；5.在在N型
9、和型和P型半导体界面的型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。型区一侧会形成负离子薄层。6.这种离子薄层会形成一个电场，方向是从这种离子薄层会形成一个电场，方向是从N区指向区指向P区，称为区，称为内电场，内电场，空间电荷区21页，共40页，星期四。 内内电电场场的的出出现现及及内内电电场场的的方方向向会会对对扩扩散散运运动动产产生生阻阻碍碍作作用用，限限制制了了扩扩散散运运动动的的进进一一步步发发展展。在在半半导导体体中中还还存存在在少少子子，内内电电场场的的电电场场力力会会对对少少子子产产生生作用，促使少数载流子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动漂移运动。内电场漂移电流22页，共40页，
10、星期四。内电场扩散电流漂移电流扩散电流漂移电流 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。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。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。23页，共40页，星期四。在在N型和型和P型半导体的结合面上发生物理过程型半导体的结合面上发生物理过程总结总结: : 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导
11、体结合面，离子薄层形成的形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 24页，共40页，星期四。浓度差浓度差扩散运动扩散运动电荷区电荷区形成内电场形成内电场阻止扩散运动阻止扩散运动促使漂移运动促使漂移运动动态平衡动态平衡25页，共40页，星期四。PNPN结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。实验：PN结结的的导导电电性性。按按如如下下方方式式进进行行PN结结导导电电性性的的实实验验，
12、因因为为PN结结加加上上封封装装外外壳壳和和电电极极引引线线就就是是二二极极管管，所所以以拿拿一一个个二二极极管管来来当当成成PN结结。P区区为为正正极极；N区区为为负负极极。对对于于图图示示的的实实验验电电路路，（表表示示二二极极管管负负极极的的黑黑色色圆圆环环在在右右侧。此时发光二极管导通而发光。侧。此时发光二极管导通而发光。电源正极P N发光二极管发光 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性26页，共40页，星期四。 此时发光二极管不发光，说明此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验结不导电。这个实验说明说明PN结（二极管）具有单向导电性。结（二极管）具有单向导电性。 N
13、P发光二极管熄灭 PN PN结具有单向导电性，结具有单向导电性， 若若P P区区的的电电位位高高于于NN区区，电电流流从从P P区区流流到到NN区区，PNPN结结呈呈低低阻阻性性，所以电流大；所以电流大； 若若P P区区的的电电位位低低于于NN区区，电电流流从从NN区区流流到到P P区区，PNPN结结呈呈高高阻阻性性，所以电流小。所以电流小。结论27页，共40页，星期四。 定义 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区区的电位高于的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为正向偏置正向偏置，简称，简称正偏正偏。 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区区的电位低于的电位低于N区的电位，区的电位，称
14、称为为反向偏置反向偏置，简称简称反偏反偏。 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置28页，共40页，星期四。2.2.2.1 PN2.2.2.1 PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况外电场 外加的外加的正向电压正向电压有一部分降落在有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场结内电场方向相反，方向相反，削弱了内电场削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，碍减弱，扩散电流加大扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，流的影响，PNPN结呈现低阻性结呈现低阻性。内电场内
15、电场IF29页，共40页，星期四。2.2.2 PN2.2.2 PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时，有一部分降落在结加反向电压时，有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，结内电场方向相同，加强了内电场。加强了内电场。 内电场对多子扩散运动的阻碍内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散，可忽略扩散电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。内电场IS外电场 在一定的温度条件下，由本
16、征激发决定的少子浓度是一定的，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，这个电流也称为关，这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流 IS 。内电场30页，共40页，星期四。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 PN结具有单向导电性结具有单向导电性31页，共40页，星期四。其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）2.2.2.3 PN2.2.2.3 PN结的结的I-VI-V方程方程PN结的电压和电流之间的关系为：32页，共40页，星期四。PN结的伏安特性曲线如图所示。结的伏安特性曲线如图所示。 处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第一象限的是正向伏安特性曲线， 处于第三象限的是反向伏
