模擬電子電路2章1西北工業(yè)大學(xué)

第二章常用半導(dǎo)體器件原理根本電路2.1半導(dǎo)體根底知識2.2PN結(jié)2.3晶體二極管2.4雙極性晶體管2.5場效應(yīng)晶體管12.1.1本征半導(dǎo)體根據(jù)物體導(dǎo)電才干(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)體物理根底導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體2構(gòu)造特點：１、外層４個電子；２、共價?。窗雽?dǎo)體特性：物質(zhì)的導(dǎo)電才干由物質(zhì)原子的內(nèi)部構(gòu)造和原子間的組合方式?jīng)Q議。2-1半導(dǎo)體根底知識3硅原子空間陳列及共價鍵構(gòu)造平面表示圖(a)硅晶體的空間陳列(b)共價鍵構(gòu)造平面表示圖(c)2-1半導(dǎo)體根底知識導(dǎo)電特點３、受光照影響２、受摻雜影響1、無自在電子４、溫度影響42.1.1本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純真的半導(dǎo)體。它在物理構(gòu)造上呈單晶體形狀。純真的含義無雜質(zhì)晶體構(gòu)造完好2-1半導(dǎo)體根底知識5一、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)體根底知識62.1.1本征半導(dǎo)體2、熱力學(xué)300K室溫，產(chǎn)生自在電子一、半導(dǎo)體中的載流子光照激發(fā)(c)自在電子空穴本征激發(fā)7一、半導(dǎo)體中的載流子１、熱力學(xué)溫度0K無外界激發(fā)自在電子：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)生自在電子空穴：價電子分開共價鍵后留下的空位稱為空穴。這一景象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。2.1.1本征半導(dǎo)體2-1半導(dǎo)體根底知識83、空穴的挪動〔動畫2-1〕空穴在晶格中的挪動9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)體根底知識10價電子獲得能量掙脫原子核的束縛，成為自在電子，從而能夠參與導(dǎo)電。這一景象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)合自在電子釋放能量而進入有空位的共價鍵，使自在電子和空穴成對消逝這一景象稱為復(fù)合。在外電場作用下電子空穴對作定向運動構(gòu)成的電流。漂移電流產(chǎn)生電子空穴對11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)體根底知識TextTextText參雜結(jié)果構(gòu)成兩種半導(dǎo)體資料12(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〕，可構(gòu)成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。自在電子13(2)P型半導(dǎo)體提供自在電子的五價雜質(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)自在電子>>電子是多數(shù)載流子，主要由摻雜構(gòu)成；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)構(gòu)成。14(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〕構(gòu)成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體?？昭?5(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)因此也稱為受主雜質(zhì)。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自在電子>>空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜構(gòu)成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)構(gòu)成。16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)體根底知識典型的數(shù)據(jù)如下:172.1.4半導(dǎo)體中的電流飄移電流分散電流在電場作用下，載流子定向運動構(gòu)成的電流。電場越強，載流子濃度越大飄移電流越強。由于載流子濃度不均勻，從濃度大處向濃度小處分散，構(gòu)成分散電流。分散電流大小與濃度梯度有關(guān)。2-1半導(dǎo)體根底知識182.2PN結(jié)2.2.1PN結(jié)的構(gòu)成2.2.2PN結(jié)的單導(dǎo)游電性2.2.3PN結(jié)的擊穿特性2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)192.2.1PN結(jié)的構(gòu)成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體嚴(yán)密結(jié)合在一同。在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上構(gòu)成PN結(jié)。分散電流20內(nèi)電場隨著分散運動的進展，在界面N區(qū)的一側(cè)，雜量變成正離子；在界面P區(qū)的一側(cè)，雜量變成負(fù)離子。在N型和P型半導(dǎo)體界面的N型區(qū)一側(cè)會構(gòu)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)會構(gòu)成負(fù)離子薄層。這種離子薄層會構(gòu)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)21內(nèi)電場的出現(xiàn)及內(nèi)電場的方向會對分散運動產(chǎn)生妨礙作用，限制了分散運動的進一步開展。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)生漂移運動。內(nèi)電場漂移電流22內(nèi)電場分散電流漂移電流分散電流漂移電流最后,多子的分散和少子的漂移到達(dá)動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層構(gòu)成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于短少多子，所以也稱耗盡層。23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)構(gòu)成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子分散最后,多子的分散和少子的漂移到達(dá)動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層構(gòu)成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于短少多子，所以也稱耗盡層。多子的分散運動由雜質(zhì)離子構(gòu)成空間電荷區(qū)

24濃度差分散運動電荷區(qū)構(gòu)成內(nèi)電場阻止分散運動促使漂移運動動態(tài)平衡25PN結(jié)最重要的特性是單導(dǎo)游電特性，先看如下實驗。實驗：PN結(jié)的導(dǎo)電性。按如下方式進展PN結(jié)導(dǎo)電性的實驗，由于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2.2.2PN結(jié)的單導(dǎo)游電性26此時發(fā)光二極管不發(fā)光，闡明PN結(jié)不導(dǎo)電。這個實驗闡明PN結(jié)〔二極管〕具有單導(dǎo)游電性。NP發(fā)光二極管熄滅PN結(jié)具有單導(dǎo)游電性，假設(shè)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；假設(shè)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27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282.2.2.1PN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，減弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多數(shù)載流子分散運動的妨礙減弱，分散電流加大。分散電流遠(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IF292.2.2PN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)電場方向一樣，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙加強，分散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下構(gòu)成的漂移電流大于分散電流，可忽略分散電流，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)決議的少子濃度是一定的，故少子構(gòu)成的漂移電流是恒定的，根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30PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向分散電流；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)具有單導(dǎo)游電性31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：32PN結(jié)的伏安特性曲線如下圖。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|>0.1332.2.3PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓添加到一定數(shù)值時，反向電流忽然快速添加，熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆此景象稱為PN結(jié)的反向擊穿。342.2.3PN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,反向電流忽然劇增，這種景象稱為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351、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)寬碰撞時機多〕對硅資料：362、齊納擊穿條件：高摻雜、低電壓〔耗盡區(qū)窄，低電壓產(chǎn)生強電場〕對硅資料：低電壓產(chǎn)生強電場產(chǎn)生空穴電子對電流劇增耗盡區(qū)窄拉出共價鍵中電子372.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的要素決議。一是勢壘電容CB，二是分散電容CD。38(1)勢壘電容CB勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層構(gòu)成的。勢壘電容表示圖當(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)地隨之改動，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。39(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40分散電容是由多子分散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而構(gòu)成的。(2)分散電容CD反之，由P區(qū)分散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。PN結(jié)正偏時，由N區(qū)分散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，構(gòu)成正向電流。剛分散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，構(gòu)成一定的多子濃度梯度分布曲線。41分散電容表示圖PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同正向偏置外加電壓不同分散電流大小不同相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和分散電容均是非線性電容42(2)分散電容CD假設(shè)引起的電壓變化量為那么:P