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1、(1-1)模拟电子技术模拟电子技术 第一章 半导体器件 (1-2)一一. 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物一些硫化物( (如硫化镉如硫化镉) )、氧化物、氧化物( (如氧
2、化锌如氧化锌) )等。等。1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 本征半导体本征半导体(1-3)半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结构的半导体称为结构的半导体称为本征半导体本征半导体 (1-4)二二. .
3、本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的本征半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的本征半导体是硅和锗，它们的最外层电子（它们的最外层电子（价电子价电子）都是四个。）都是四个。(1-5)Si的原子序数为14，有14个电子绕核旋转外层电子离核最远，受到的束缚最弱，称为价电子。Si原子结构简图（Ge原子序数32）+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子(1-6)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硅硅和和锗锗的的每每个个原原子子与与其其相相临临的的原原子子之之间间形形成成共共价价键键，共共用用一一对对价价电
4、电子子。形形成成共共价价键键后后，每每个个原原子子的的最最外外层层电电子子是是八八个个，构构成成稳稳定定结结构构。共共价价键键有有很很强强的的结结合合力力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。(1-7)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自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。本征半导体的导电能力很弱。(1-8)三三. .本征半导体的载流子本征半导体的载流子和和导电机
5、理导电机理在在绝绝对对0度度（T=0 K）和和没没有有外外界界激激发发( (如如光光照照) )时时, ,价价电电子子完完全全被被共共价价键键束束缚缚着着，本本征征半半导导体体中中没没有有可可以以运运载载电电荷荷的的粒粒子子（即即载载流流子子），它它的的导电能力为导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在在常常温温下下，由由于于热热激激发发，使使极极少少数数的的价价电电子子获获得得足足够够的的能能量量而而脱脱离离共共价价键键的的束束缚缚，成成为为自自由由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。空穴。1.1.载流子载流子: :自由电子和空穴自由电子和空穴(
6、1-9)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(1-10)2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4空空穴穴吸吸引引附附近近的的束束缚缚电电子子来来填填补补，这这样样的的结结果果相相当当于于空空穴穴的的迁迁移移，而而空空穴穴的的迁迁移移相相当当于于正正电电荷荷的的移移动动，因因此此可可以以认认为为空空穴穴是是带带正正电的载流子。电的载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。(1-11)本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度：温度越高本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度：温度越高则载
7、流子浓度越高，因此本征半导体的导电能力越强。则载流子浓度越高，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素，这是半温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成：自由电子移动产生本征半导体中电流由两部分组成：自由电子移动产生的电流；空穴移动产生的电流。的电流；空穴移动产生的电流。四.本征半导体中载流子的浓度本征半导体中载流子的浓度本征激发本征激发 复合复合 动态平衡动态平衡在一定温度下在一定温度下本征半本征半导体中体中载流子的浓度是一定的，并载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。且自由电子与空
8、穴的浓度相等。(1-12)1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入某某些些微微量量的的杂杂质质，就就会会使使半半导导体体的的导导电电性性能能发发生生显显著著变变化化。其其原原因因是是掺掺杂杂半半导导体体的的某某种载流子浓度大大增加。种载流子浓度大大增加。P （Positive，正），正）型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称空穴半导体空穴半导体。N （Negative，负），负）型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称电子半导体电子半导体。(1-1
9、3)在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体中的某些半导体原子被杂质（或锑），晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。给出一个电子，称为施主原子。一、一、N 型半
10、导体型半导体(1-14)+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由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。自由电子称为电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）。）。(1-15)在在硅硅或或锗锗晶晶体体中中掺掺入入少少
11、量量的的三三价价元元素素，如如硼硼（或或铟铟），晶晶体体中中的的某某些些半半导导体体原原子子被被杂杂质质取取代代，硼硼原原子子的的最最外外层层有有三三个个价价电电子子，与与相相邻邻的的半半导导体体原原子子形形成成共共价价键键时时，产生一个空穴。产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称于硼原子接受电子，所以称为为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。二、二、P 型半导体型
12、半导体(1-16)三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但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由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。P 型半导体型半导体(1-17)1.1.3 PN结结二极管器件的基石二极管器件的基石一一. PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就
13、形成了交界面处就形成了PN 结。结。(1-18)P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内内电电场场(其其方方向向即即正正电电荷荷的的受受力力方方向向)会会阻阻止止扩扩散散运运动动，同同时时内内电电场场越强则使漂移运动越强，而漂移会使空间电荷区变薄。越强则使漂移运动越强，而漂移会使空间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。(1-19)漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E当扩散和漂移这
14、一对相反的运动最终达到平衡，相当于两当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。个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。(1-20)PNPN结的形成结的形成( (动画）动画）(1-21) PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。二二. PN结的单向导电性结的单向导电性P N结导通时的结压降结导通时的结压降0.7伏，因而会在它所
15、在的回路中串联一个伏，因而会在它所在的回路中串联一个电阻电阻，以限制回路的电流，防止，以限制回路的电流，防止P N结因正向电流过大而损坏。结因正向电流过大而损坏。(1-22)+RE1.1.PN 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+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的较大的扩散电流扩散电流。(1-23)2.2.PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被加强，多子的内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电只能形成较小
16、的反向电流。流。RE(1-24)三、三、PN结的电流方程（结电压结的电流方程（结电压u与电流与电流i关系）关系）q为电子的电量；为电子的电量；k为玻尔兹曼常数；为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；为热力学温度；IS 为反向饱和电流。为反向饱和电流。 温度的电压当量温度的电压当量(1-25)四四. PNPN结的伏安特性结的伏安特性 由由PNPN结结的电流方程可知的电流方程可知反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿(高掺杂高掺杂)：耗尽：耗尽层窄，反向击穿电压较小层窄，反向击穿电压较小雪崩击穿雪崩击穿(低掺杂低掺杂)：耗尽：耗尽层宽，反向击穿电压较大层宽，反向击穿电压较大正向特性正向特性反向击穿电压反向击穿
17、电压反反向向特特性性死区电压Vth指结正向电流由几乎为零转而开始明显增大那一点的结电压，此时正向电流仍不大，还不能满足电路应用。(1-26)五五.PN结的电容效应结的电容效应 (1) 势垒电容容Cb (barrier capacity)是由是由 PN 结的空间电荷区变化结的空间电荷区变化形成的。形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压- -N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+- -UV当当PN结上的电压发生变化时，结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使量将随之发生变化，使P
18、N结具有电容效应。结具有电容效应。(1-27) 当PN结加反向电压时， Cb明显随u的变化而变化（趋势较缓和），因此利用这一特性制成各种变容二极管。由由于于 PN 结结 宽宽度度 随随外外加加电电压压 u 而而变变化化，因因此此势势垒垒电电容容 Cb不不是是一一个个常常数数。其其 Cb = f ( (u) ) 曲线如图示。曲线如图示。OuCb空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，如如同同电电容容的的放电和充电过程。放电和充电过程。(1-28)(2)扩散电扩散电容容Cd(diffused capacity)空穴浓度电子浓度PN结结正正向向偏偏置置时时：N区的电子向P区
19、扩散，在P区形成一定的浓度分布，在P区存贮了一定数量的电子，同样在N区也存贮了一定数量的空穴。当正向电压加大时，扩散增强，P区的电子数和N区的空穴数将增多，相当于电容器的充电；当正向电压减小时，情况正相反。PN结外两个区域形成电荷堆积变化 扩散电容效应。反向偏置时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。反向偏置时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。(1-29)总总之之，PNPN结结呈呈现现出出两两种种电电容容，它它的的总总电电容容C Cj j相相当当于于两两者者的的并并联联，即即C Cj jC Cb b + + C Cd d。正正向向偏偏置置时时，扩扩散散电电容容远远大大于于势势垒垒电电容
20、容 C Cj jCCd d ；而而反反向向偏偏置置时时，扩扩散散电电容可以忽略，势垒电容起主要作用，容可以忽略，势垒电容起主要作用，C Cj jCCb b 。 由由于于C Cb b与与C Cd d一一般般都都很很小小( (结结面面积积小小的的为为1pF 1pF 左左右右, ,结结面面积积大大的的为为几几十十至至几几百百皮皮法法),),对对于于低低频频信信号号呈呈现现出出很很大大的的容抗。容抗。对于电容，容抗为对于电容，容抗为由由于于半半导导体体管管中中存存在在PN结结电电容容（在在电电路路中中以以并并联联形形式式存存在在），对对信信号号构构成成了了低低通通电电路路，即即频频率率足足够够低低的的
21、信信号号对对电电路路几几乎乎不不产产生生影影响响。因因而而，只只有有在在信信号号频频率率较较高时才考虑结电容的作用。高时才考虑结电容的作用。(1-30)1.2.11.2.1常见基本结构常见基本结构PN 结结加加上上管管壳壳和和引引线线，就就成成为半导体二极管。为半导体二极管。1.2 半导体二极管半导体二极管阴极阴极N N阳极阳极P P1 点接触型二极管点接触型二极管2 面接触型二极管面接触型二极管3 平面型二极管平面型二极管(1-31)死区电压是它的开启电压Uon，也就是说，在这个电压以下时，即使是正向的，它也不导通。ui导通压降导通压降: :硅管硅管0.7V,锗管锗管0.2V。反向击穿反向击
22、穿电压电压U(BR)死区电压：死区电压：硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管0 0.1V.1V。1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性正向导通压降是在管子正向导通的时候，二极管两端的电压，也就是它引起的压降，此时正正向向电电流流变变化化时时结结压压降降基基本不变。本不变。对比PN结：正向情况(考虑体电阻、引线电阻)、反向情况(考虑表面漏电流)制造PN结若在表面上沾上水汽或金属离子，引起离子导电(电流从N区电极沿半导体表面直接到P区电极)，往往成为反向电流的主要部分。 (1-32)实验发现：在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移实验发现：在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移（正向导通
23、压降及开启电压减小），反向特性将下移（反（正向导通压降及开启电压减小），反向特性将下移（反向电流增大）。向电流增大）。二极管的特性对温度很敏感。二极管的特性对温度很敏感。室室温温附附近近，温温度度每每升升高高1，正正向向导导通通压压降降减减小小22.5 m V；温温度度每每升升高高10，反反向电流约增大一倍。向电流约增大一倍。(1-33)1. 1. 最大整流电流最大整流电流 IF二二极极管管长长期期使使用用时时，允允许许流流过过二二极极管管的的最最大大正正向向平均电流。平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压U(BR)和最高反向工作电压和最高反向工作电压URU(BR)是是二二极极管管反反向向击
24、击穿穿时时的的电电压压值值。击击穿穿时时反反向向电电流流剧增，二极管单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。剧增，二极管单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给的最高反向工作电压手册上给的最高反向工作电压UR一般是一般是U(BR)的一半。的一半。1.2.3 二极管主要参数二极管主要参数(1-34)3. 反向电流反向电流 IR指指二二极极管管加加反反向向工工作作电电压压未未击击穿穿时时的的反反向向电电流流。反反向向电电流流大大，说说明明管管子子的的单单向向导导电电性性差差，因因此此反反向向电电流流越越小小越越好好。温温度度越越高高反反向向电电流流越越大大。硅硅管管的的反反向向电电流流较较小小，锗锗管
25、管的的反反向向电电流流要要比比硅硅管管大大几几十十到到几几百倍。百倍。以以上上均均是是二二极极管管的的直直流流参参数数，二二极极管管的的应应用用是是主主要要利利用用它它的的单单向向导导电电性性，主主要要应应用用于于整整流流、限限幅幅、保护等等。保护等等。(1-35)4.4.最高工作频率最高工作频率f fM M交流参数交流参数 是二极管工作的上限频率。超过此值时，由于二极管结电容的存在，二极管将改变特性（尤其是单向导通特性）实实际际应应用用中中，应应根根据据管管子子所所用用的的场场合合，按按其其所所承承受受的的最最高高反反向向电电压压、最最大大正正向向平平均均电电流流、工工作作频频率、环境温度等
26、条件，选择满足要求的二极管。率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。(1-36)1.1.理想模型理想模型（大信号状态采用（大信号状态采用) )等效电路如下：一、一、由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路 1.2.4 二极管二极管等效电路等效电路由理想模型特性图可知，加正向偏压时，二极管压降为0。反向偏压时电阻为无穷大。相当于有一理想开关。常用于整流电路中理想二极管习题习题1.2 电路如图图P1.2 所示，已知(V)，试画出与的波形。设二极管导通电压可忽略不计。图图P1.2解图解图P1.2 硅二极管：硅二极管：死区电压死区电压=0 .5 V，正向压降，正向压降 0.7 V
27、理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 V ，正向压降，正向压降=0 V(1-38)2.2.恒压降模型恒压降模型正向导通时端电压为常量正向导通时端电压为常量u等效电路如图理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源VD （导通压降（导通压降0.7 V）自测题三、自测题三、写出图中图中所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD=0.7 V。UO1=1.3 V UO2=0 V UO3=-1.3 V UO4=2 V UO5=1.3 V UO6=-2 V 二极管导通压降很低，因而会在它所在的回路中串联一个适当的电阻来起二极管导通压降很低，因而会在它所在的回路中串联一个适当的电阻来起分压限流作用，防
28、止二极管因正向电流过大而损坏。分压限流作用，防止二极管因正向电流过大而损坏。加加问问：若若V1分分别别为为12 V、12.7 V、24 V时时，开关闭合时又会如何？开关闭合时又会如何？若若V1为为12 V且开关闭合，二极管仍不足以导通，且开关闭合，二极管仍不足以导通，UO仍为仍为12 V；若若V1为为24 V且开关闭合，类似短路，二极管、电池（电池内阻很小，一般且开关闭合，类似短路，二极管、电池（电池内阻很小，一般为微欧、毫欧级）会因电流过大而烧毁。为微欧、毫欧级）会因电流过大而烧毁。若若V1为为12.7 V且开关闭合，二极管刚好导通，此时相当于且开关闭合，二极管刚好导通，此时相当于2个电池并
29、联，个电池并联， UO仍为仍为12 V；P22(1-41)3.3. 折线近似模型折线近似模型等效电路如图：特性等效电路：用斜折线代替实际二极管特性曲线，更趋于逼近。其中， rD为折线段电阻，Uon为二极管开启电压（即死区电压，通常为0.5 V ），正向电压大于Uon后与电流成线性关系。正向导通时端电压与电流成线性关系理想二极管串联电压源Uon和电阻rD(1-42)作业作业第一章自测题：第一章自测题： 一（一（1）、一（）、一（2）、一（）、一（3）；）；二（二（1）第一章习题：第一章习题：1.1（1）（）（2）注意：以上作业的答案要给出理由说明！注意：以上作业的答案要给出理由说明！第一章习题：第一章习题：1.3
