模擬電子電路2章1西北工業(yè)大學(xué)

1、 本征半導(dǎo)體 根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)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第一頁(yè)，共四十一頁(yè)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：、外層個(gè)電子；、共價(jià)健半導(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(shí)2第二頁(yè)，共四十一頁(yè)。硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)電特點(diǎn)、受光照影響、受摻雜影響1、無(wú)自由電子、溫度影響3第三頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.1.1 本征半導(dǎo)體

2、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(wú)雜質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)完整2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)4第四頁(yè)，共四十一頁(yè)。一、半導(dǎo)體中的載流子、熱力學(xué)溫度0K無(wú)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(shí)5第五頁(yè)，共四十一頁(yè)。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第六頁(yè)，共四十一頁(yè)。一、半導(dǎo)體中的載流子、熱力學(xué)溫度0K無(wú)外界激發(fā)自由電子： 價(jià)電子能量增高，有的價(jià)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(jià)電子離開共價(jià)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

3、發(fā)。2.1.1 本征半導(dǎo)體2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)7第七頁(yè)，共四十一頁(yè)。 3、 空穴的移動(dòng)（動(dòng)畫2-1）空穴在晶格中的移動(dòng)8第八頁(yè)，共四十一頁(yè)。本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程（動(dòng)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(shí)9第九頁(yè)，共四十一頁(yè)。 價(jià)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(jià)鍵，使自由電子和空穴成對(duì)消失這一現(xiàn)象稱為復(fù)合 。 在外電場(chǎng)作用下電子空穴對(duì)作定向運(yùn)動(dòng)形成的電流。漂移電流產(chǎn)生電子空穴對(duì)10第十頁(yè)，共四十一頁(yè)。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

4、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(jià)或五價(jià)元素參入少量五價(jià)元素參入少量三價(jià)元素2 -1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)TextTextText參雜結(jié)果形成兩種半導(dǎo)體材料11第十一頁(yè)，共四十一頁(yè)。 (1）N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)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第十二頁(yè)，共四十一頁(yè)。(2) P型半導(dǎo)體 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)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第十三頁(yè)，共四十一頁(yè)。(2) P型半導(dǎo)體 在本

5、征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)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。 空穴14第十四頁(yè)，共四十一頁(yè)。(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(jià)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第十五頁(yè)，共四十一頁(yè)。本征 室溫下,本征激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴濃度:n = p =1.41010/cm3摻雜Add Your Title 摻雜濃度:n =51016/cm3本征硅Add Your Title本征硅的原子濃度: 4.961022/cm32.1.3 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響2

6、-1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)典型的數(shù)據(jù)如下:16第十六頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.1.4 半導(dǎo)體中的電流飄移電流擴(kuò)散電流 在電場(chǎng)作用下，載流子定向運(yùn)動(dòng)形成的電流。 電場(chǎng)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(shí)17第十七頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.2 PN結(jié)2.2.1 PN結(jié)的形成2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3 PN結(jié)的擊穿特性2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng)18第十八頁(yè)，共四十一頁(yè)。 2.2.1 PN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

7、19第十九頁(yè)，共四十一頁(yè)。內(nèi)電場(chǎng)隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(huì)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(huì)形成負(fù)離子薄層。這種離子薄層會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，方向是從N區(qū)指向P區(qū)，稱為內(nèi)電場(chǎng)，空間電荷區(qū)20第二十頁(yè)，共四十一頁(yè)。 內(nèi)電場(chǎng)的出現(xiàn)及內(nèi)電場(chǎng)的方向會(huì)對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，限制了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展。在半導(dǎo)體中還存在少子，內(nèi)電場(chǎng)的電場(chǎng)力會(huì)對(duì)少子產(chǎn)生作用，促使少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。內(nèi)電場(chǎng)漂移電流21第二十一頁(yè)，共四十一頁(yè)。內(nèi)電場(chǎng)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

8、動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)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第二十二頁(yè)，共四十一頁(yè)。在N型和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上發(fā)生物理過(guò)程總結(jié): 因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)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(dòng)態(tài)平衡。 對(duì)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(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 23第二十三頁(yè)，共四十一頁(yè)。濃度差擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)促使漂移運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡24第二十四頁(yè)，共四十一頁(yè)。PN結(jié)最重要

9、的特性是單向?qū)щ娞匦?，先看如下?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)，因?yàn)镻N結(jié)加上封裝外殼和電極引線就是二極管，所以拿一個(gè)二極管來(lái)當(dāng)成PN結(jié)。P區(qū)為正極；N區(qū)為負(fù)極。對(duì)于圖示的實(shí)驗(yàn)電路，（表示二極管負(fù)極的黑色圓環(huán)在右側(cè)。此時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通而發(fā)光。電源正極P N發(fā)光二極管發(fā)光 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?5第二十五頁(yè)，共四十一頁(yè)。 此時(shí)發(fā)光二極管不發(fā)光，說(shuō)明PN結(jié)不導(dǎo)電。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明PN結(jié)（二極管）具有單向?qū)щ娦浴?N P發(fā)光二極管熄滅 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?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)

10、呈高阻性，所以電流小。結(jié)論26第二十六頁(yè)，共四十一頁(yè)。 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(jiǎn)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(jiǎn)稱反偏。 正向偏置反向偏置27第二十七頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.2.2.1 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場(chǎng) 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(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)IF28第二十八頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.2.2 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 PN結(jié)加反

11、向電壓時(shí)，有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。 內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)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(chǎng)IS外電場(chǎng) 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(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流 IS 。內(nèi)電場(chǎng)29第二十九頁(yè)，共四十一頁(yè)。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，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(shí)，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第三十頁(yè)，共四十一頁(yè)。其中PN結(jié)

12、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）2.2.2.3 PN結(jié)的I-V方程PN結(jié)的電壓和電流之間的關(guān)系為：31第三十一頁(yè)，共四十一頁(yè)。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： v0.1 反向偏置： |V|0.132第三十二頁(yè)，共四十一頁(yè)。 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(shí)，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第三十三頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.2.3 PN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(shí)

13、,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第三十四頁(yè)，共四十一頁(yè)。1、雪崩擊穿反向電壓少子動(dòng)能少子速度碰撞共價(jià)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(huì)多）對(duì)硅材料：35第三十五頁(yè)，共四十一頁(yè)。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(chǎng)）對(duì)硅材料：低電壓產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng) 產(chǎn)生空穴電子對(duì)電流劇增耗盡區(qū)窄拉出共價(jià)鍵中電子36第三十六頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.2.4 PN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(shì)壘電容CB ， 二是擴(kuò)散電容CD 。37第三十七頁(yè)，共四十一頁(yè)。 (1) 勢(shì)壘電容CB 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。勢(shì)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(shí)，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(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。38第三十八頁(yè)，共四十一頁(yè)。 (1) 勢(shì)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(shí)的n ： 為變?nèi)葜笖?shù) 為內(nèi)建電位差39第三十九頁(yè)，共四十一頁(yè)。 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C