模擬電子電路章西北工業(yè)大學(xué)

本征半導(dǎo)體根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體：硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能受溫度、光照和摻雜影響。2-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體1目前一頁\總數(shù)四十四頁\編于八點結(jié)構(gòu)特點：１、外層４個電子；２、共價?。窗雽?dǎo)體特性：物質(zhì)的導(dǎo)電能力由物質(zhì)原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原子間的組合方式?jīng)Q定。2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2目前二頁\總數(shù)四十四頁\編于八點硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)電特點３、受光照影響２、受摻雜影響1、無自由電子４、溫度影響3目前三頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.1.1本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。純凈的含義

無雜質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)完整2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識4目前四頁\總數(shù)四十四頁\編于八點一、半導(dǎo)體中的載流子１、熱力學(xué)溫度0K無外界激發(fā)2.1.1本征半導(dǎo)體2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識5目前五頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.1.1本征半導(dǎo)體2、熱力學(xué)300K室溫，產(chǎn)生自由電子一、半導(dǎo)體中的載流子光照激發(fā)(c)自由電子空穴本征激發(fā)6目前六頁\總數(shù)四十四頁\編于八點一、半導(dǎo)體中的載流子１、熱力學(xué)溫度0K無外界激發(fā)自由電子：價電子能量增高，有的價電子掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電。2、熱力學(xué)300K室溫，產(chǎn)生自由電子空穴：價電子離開共價鍵后留下的空位稱為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。2.1.1本征半導(dǎo)體2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識7目前七頁\總數(shù)四十四頁\編于八點3、空穴的移動（動畫2-1）空穴在晶格中的移動8目前八頁\總數(shù)四十四頁\編于八點本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫1-1）2.1.1本征半導(dǎo)體二、本征激發(fā)和復(fù)合2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識9目前九頁\總數(shù)四十四頁\編于八點價電子獲得能量掙脫原子核的束縛，成為自由電子，從而可能參與導(dǎo)電。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)

本征激發(fā)復(fù)合自由電子釋放能量而進(jìn)入有空位的共價鍵，使自由電子和空穴成對消失這一現(xiàn)象稱為復(fù)合。在外電場作用下電子空穴對作定向運(yùn)動形成的電流。漂移電流產(chǎn)生電子空穴對10目前十頁\總數(shù)四十四頁\編于八點導(dǎo)電性能發(fā)生變化

N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中參入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱雜質(zhì)的半導(dǎo)體

雜質(zhì)主要是三價或五價元素參入少量五價元素參入少量三價元素2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識TextTextText參雜結(jié)果形成兩種半導(dǎo)體材料11目前十一頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素（例如磷），可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。自由電子12目前十二頁\總數(shù)四十四頁\編于八點(2)P型半導(dǎo)體提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自由電子>>電子是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。13目前十三頁\總數(shù)四十四頁\編于八點(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素（如硼、鎵、銦等）形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體?？昭?4目前十四頁\總數(shù)四十四頁\編于八點(2)P型半導(dǎo)體

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自由電子>>空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。15目前十五頁\總數(shù)四十四頁\編于八點本征室溫下,本征激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴濃度:n=p=1.4×1010/cm3摻雜AddYourTitle

摻雜濃度:n=5×1016/cm3本征硅AddYourTitle本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm32.1.3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識典型的數(shù)據(jù)如下:16目前十六頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.1.4半導(dǎo)體中的電流飄移電流擴(kuò)散電流在電場作用下，載流子定向運(yùn)動形成的電流。

電場越強(qiáng)，載流子濃度越大飄移電流越強(qiáng)。由于載流子濃度不均勻，從濃度大處向濃度小處擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流。

擴(kuò)散電流大小與濃度梯度有關(guān)。2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識17目前十七頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.2PN結(jié)2.2.1PN結(jié)的形成2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3PN結(jié)的擊穿特性2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)18目前十八頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

2.2.1PN結(jié)的形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體緊密結(jié)合在一起。在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成PN結(jié)。擴(kuò)散電流19目前十九頁\總數(shù)四十四頁\編于八點內(nèi)電場隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，在界面N區(qū)的一側(cè)，雜質(zhì)變成正離子；在界面P區(qū)的一側(cè)，雜質(zhì)變成負(fù)離子。在N型和P型半導(dǎo)體界面的N型區(qū)一側(cè)會形成正離子薄層；在N型和P型半導(dǎo)體界面的P型區(qū)一側(cè)會形成負(fù)離子薄層。這種離子薄層會形成一個電場，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，稱為內(nèi)電場，空間電荷區(qū)20目前二十頁\總數(shù)四十四頁\編于八點內(nèi)電場的出現(xiàn)及內(nèi)電場的方向會對擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用，限制了擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)一步發(fā)展。在半導(dǎo)體中還存在少子，內(nèi)電場的電場力會對少子產(chǎn)生作用，促使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動。內(nèi)電場漂移電流21目前二十一頁\總數(shù)四十四頁\編于八點內(nèi)電場擴(kuò)散電流漂移電流擴(kuò)散電流漂移電流最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。22目前二十二頁\總數(shù)四十四頁\編于八點在N型和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上發(fā)生物理過程總結(jié):

因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)23目前二十三頁\總數(shù)四十四頁\編于八點濃度差擴(kuò)散運(yùn)動電荷區(qū)形成內(nèi)電場阻止擴(kuò)散運(yùn)動促使漂移運(yùn)動動態(tài)平衡24目前二十四頁\總數(shù)四十四頁\編于八點PN結(jié)最重要的特性是單向?qū)щ娞匦?，先看如下實驗。實驗：PN結(jié)的導(dǎo)電性。按如下方式進(jìn)行PN結(jié)導(dǎo)電性的實驗，因為PN結(jié)加上封裝外殼和電極引線就是二極管，所以拿一個二極管來當(dāng)成PN結(jié)。P區(qū)為正極；N區(qū)為負(fù)極。對于圖示的實驗電路，（表示二極管負(fù)極的黑色圓環(huán)在右側(cè)。此時發(fā)光二極管導(dǎo)通而發(fā)光。電源正極PN發(fā)光二極管發(fā)光

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?5目前二十五頁\總數(shù)四十四頁\編于八點此時發(fā)光二極管不發(fā)光，說明PN結(jié)不導(dǎo)電。這個實驗說明PN結(jié)（二極管）具有單向?qū)щ娦浴P發(fā)光二極管熄滅PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若P區(qū)的電位高于N區(qū)，電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；若P區(qū)的電位低于N區(qū)，電流從N區(qū)流到P區(qū)，PN結(jié)呈高阻性，所以電流小。結(jié)論26目前二十六頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

定義當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為正向偏置，簡稱正偏。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為反向偏置，簡稱反偏。正向偏置反向偏置27目前二十七頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.2.2.1PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外電場外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。內(nèi)電場內(nèi)電場IF28目前二十八頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.2.2PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況PN結(jié)加反向電壓時，有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。內(nèi)電場IS外電場在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流IS。內(nèi)電場29目前二十九頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?0目前三十頁\總數(shù)四十四頁\編于八點其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流UT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）2.2.2.3PN結(jié)的I-V方程PN結(jié)的電壓和電流之間的關(guān)系為：31目前三十一頁\總數(shù)四十四頁\編于八點PN結(jié)的伏安特性曲線如圖所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。正向偏置：

v>0.1反向偏置：|V|>0.132目前三十二頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。33目前三十三頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.2.3PN結(jié)的擊穿特性1、雪崩擊穿

PN結(jié)的反向電壓大于某一值()時,反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓（VBR）低參雜、高電壓2、齊納擊穿高參雜、低電壓34目前三十四頁\總數(shù)四十四頁\編于八點1、雪崩擊穿反向電壓少子動能少子速度碰撞共價鍵中電子產(chǎn)生自由電子電流劇增條件：低參雜、高電壓（耗盡區(qū)寬碰撞機(jī)會多）對硅材料：35目前三十五頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2、齊納擊穿條件：高摻雜、低電壓（耗盡區(qū)窄，低電壓產(chǎn)生強(qiáng)電場）對硅材料：低電壓產(chǎn)生強(qiáng)電場產(chǎn)生空穴電子對電流劇增耗盡區(qū)窄拉出共價鍵中電子36目前三十六頁\總數(shù)四十四頁\編于八點2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB，二是擴(kuò)散電容CD。37目前三十七頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。勢壘電容示意圖當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。38目前三十八頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

(1)勢壘電容CB隨著外加電壓的變化離子薄層的厚度的變化情況。外加反向電壓高外加正向電壓低V=0時的n：為變?nèi)葜笖?shù)為內(nèi)建電位差39目前三十九頁\總數(shù)四十四頁\編于八點

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。(2)擴(kuò)散電容CD反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也