模擬電子電路章XXXX西北工業(yè)大學(xué)

第二章常用半導(dǎo)體器件原理基本電路2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)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1

2.1.1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2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：１、外層４個(gè)電子；２、共價(jià)健＋４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3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)知識導(dǎo)電特點(diǎn)３、受光照影響２、受摻雜影響1、無自由電子４、溫度影響42.1.1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)體基礎(chǔ)知識62.1.1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)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)，也稱熱激發(fā)。2.1.1本征半導(dǎo)體2-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識83、空穴的移動(dòng)（動(dòng)畫2-1）空穴在晶格中的移動(dòng)9本征激發(fā)和復(fù)合的過程（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10價(jià)電電子子獲得得能能量量掙脫脫原原子子核核的的束束縛縛，，成成為為自自由由電電子子，，從從而而可可能能參參與與導(dǎo)導(dǎo)電電。。這這一一現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為本本征征激激發(fā)發(fā)本征激激發(fā)復(fù)合自由電電子釋放能能量而進(jìn)入入有空空位的的共價(jià)價(jià)鍵，，使自自由電子和和空穴穴成對對消失失這一一現(xiàn)象象稱為為復(fù)合合。在外電電場作作用下下電子子空穴穴對作作定向向運(yùn)動(dòng)動(dòng)形成成的電電流。。漂移電電流產(chǎn)生電子空空穴對對11導(dǎo)電性性能發(fā)發(fā)生變變化N型半導(dǎo)導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)導(dǎo)體2.1.2雜質(zhì)半半導(dǎo)體體在本征征半導(dǎo)導(dǎo)體中中參入入雜質(zhì)的半導(dǎo)導(dǎo)體稱稱雜質(zhì)的的半導(dǎo)導(dǎo)體雜質(zhì)主主要是是三價(jià)價(jià)或五五價(jià)元元素參入少少量五五價(jià)元元素參入少少量三三價(jià)元元素2-1半半導(dǎo)導(dǎo)體基基礎(chǔ)知知識TextTextText參雜結(jié)果形成兩兩種半半導(dǎo)體體材料料12(1））N型半導(dǎo)導(dǎo)體在本征征半導(dǎo)導(dǎo)體中中摻入入五價(jià)價(jià)雜質(zhì)質(zhì)元素素（例例如磷磷），，可形形成N型半導(dǎo)導(dǎo)體,也稱電子型型半導(dǎo)導(dǎo)體。自由電子13(2)P型型半導(dǎo)導(dǎo)體提供自自由電電子的的五價(jià)價(jià)雜質(zhì)質(zhì)原子子因帶帶正電電荷而而成為為正離子子，因此此五價(jià)價(jià)雜質(zhì)質(zhì)原子子也稱稱為施主雜雜質(zhì)。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自由電電子>>電子是是多數(shù)載載流子子，主要要由摻摻雜形形成；；空穴是是少數(shù)載載流子子，由熱熱激發(fā)發(fā)形成成。14(2)P型型半導(dǎo)導(dǎo)體在本征征半導(dǎo)導(dǎo)體中中摻入入三價(jià)價(jià)雜質(zhì)質(zhì)元素素（如如硼、、鎵、、銦等等）形形成了了P型半導(dǎo)導(dǎo)體，也稱為為空穴型型半導(dǎo)導(dǎo)體?？昭?5(2)P型型半導(dǎo)導(dǎo)體空穴很很容易易俘獲獲電子子，使使雜質(zhì)質(zhì)原子子成為為負(fù)離子子。三價(jià)價(jià)雜質(zhì)質(zhì)因因而也也稱為為受主雜雜質(zhì)。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自由電電子>>空穴是是多數(shù)載載流子子，主要要由摻摻雜形形成；；電子是是少數(shù)載載流子子，由熱熱激發(fā)發(fā)形成成。16本征室溫下下,本本征激激發(fā)產(chǎn)產(chǎn)生的的電子子和空空穴濃濃度:n=p=1.4××1010/cm3摻雜AddYourTitle摻雜濃濃度:n=5××1016/cm3本征硅硅AddYourTitle本征硅硅的原原子濃濃度:4.96××1022/cm32.1.3雜雜質(zhì)對對半導(dǎo)導(dǎo)體導(dǎo)導(dǎo)電性性的影影響2-1半半導(dǎo)導(dǎo)體基基礎(chǔ)知知識典型的的數(shù)據(jù)據(jù)如下下:172.1.4半半導(dǎo)體體中的的電流流飄移電電流擴(kuò)散電電流在電場場作用用下，，載流流子定定向運(yùn)運(yùn)動(dòng)形形成的的電流流。電場越越強(qiáng)，，載流流子濃濃度越越大飄飄移電電流越越強(qiáng)。。由于載載流子子濃度度不均均勻，，從濃濃度大大處向向濃度度小處處擴(kuò)散散，形形成擴(kuò)擴(kuò)散電電流。。擴(kuò)散電電流大大小與與濃度度梯度度有關(guān)關(guān)。2-1半半導(dǎo)導(dǎo)體基基礎(chǔ)知知識182.2PN結(jié)結(jié)2.2.1PN結(jié)的的形成成2.2.2PN結(jié)的的單向向?qū)щ婋娦?.2.3PN結(jié)的的擊穿穿特性性2.2.4PN結(jié)的的電容容效應(yīng)應(yīng)192.2.1PN結(jié)的的形成成N型半導(dǎo)導(dǎo)體和和P型半導(dǎo)導(dǎo)體緊緊密結(jié)結(jié)合在在一起起。在在N型半導(dǎo)導(dǎo)體和和P型半導(dǎo)導(dǎo)體的的結(jié)合合面上上形成成PN結(jié)結(jié)。擴(kuò)散電流20內(nèi)電場隨著擴(kuò)擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)的的進(jìn)行行，在界面面N區(qū)區(qū)的一一側(cè)，，雜質(zhì)質(zhì)變成成正離離子；；在界面面P區(qū)區(qū)的一一側(cè)，，雜質(zhì)質(zhì)變成成負(fù)離離子。。在N型型和P型半半導(dǎo)體體界面面的N型區(qū)區(qū)一側(cè)側(cè)會(huì)形形成正正離子子薄層層；在N型型和P型半半導(dǎo)體體界面面的P型區(qū)區(qū)一側(cè)側(cè)會(huì)形形成負(fù)負(fù)離子子薄層層。這種離離子薄薄層會(huì)會(huì)形成成一個(gè)個(gè)電場場，方方向是是從N區(qū)指指向P區(qū)，，稱為為內(nèi)電場場，空間電荷區(qū)21內(nèi)電場場的出出現(xiàn)及及內(nèi)電電場的的方向向會(huì)對對擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)動(dòng)產(chǎn)生生阻礙礙作用用，限限制了了擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)動(dòng)的進(jìn)進(jìn)一步步發(fā)展展。在在半導(dǎo)導(dǎo)體中中還存存在少少子，，內(nèi)電電場的的電場場力會(huì)會(huì)對少少子產(chǎn)產(chǎn)生作作用，，促使使少數(shù)數(shù)載流流子產(chǎn)產(chǎn)生漂移運(yùn)運(yùn)動(dòng)。內(nèi)電場漂移電流22內(nèi)電場擴(kuò)散電流漂移電流擴(kuò)散電流漂移電流最后,多子子的擴(kuò)散和少子子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平平衡。對于于P型型半導(dǎo)導(dǎo)體和和N型型半導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)結(jié)合面面，離離子薄薄層形形成的的空間電電荷區(qū)區(qū)稱為PN結(jié)結(jié)。在空空間電電荷區(qū)區(qū)，由由于缺缺少多多子，，所以以也稱稱耗盡層層。23在N型和P型半導(dǎo)導(dǎo)體的的結(jié)合合面上上發(fā)生生物理理過程程總結(jié):因濃度度差空間電電荷區(qū)區(qū)形成成內(nèi)電電場內(nèi)電場場促使使少子子漂移移內(nèi)電場場阻止止多子子擴(kuò)散散最后,多子子的擴(kuò)散和少子子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平平衡。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。多子的的擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)動(dòng)由雜質(zhì)離離子形形成空空間電電荷區(qū)區(qū)24濃度差差擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)電荷區(qū)區(qū)形成內(nèi)內(nèi)電場場阻止擴(kuò)擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)促使漂漂移運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平平衡25PN結(jié)結(jié)最重重要的的特性性是單單向?qū)?dǎo)電特特性，，先看看如下下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)：PN結(jié)結(jié)的導(dǎo)導(dǎo)電性性。按如如下方方式進(jìn)進(jìn)行PN結(jié)結(jié)導(dǎo)電電性的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，因因?yàn)镻N結(jié)結(jié)加上上封裝裝外殼殼和電電極引引線就就是二二極管管，所所以拿拿一個(gè)個(gè)二極極管來來當(dāng)成成PN結(jié)。。P區(qū)區(qū)為正正極；；N區(qū)區(qū)為負(fù)負(fù)極。。對于于圖示示的實(shí)實(shí)驗(yàn)電電路，，（表表示二二極管管負(fù)極極的黑黑色圓圓環(huán)在在右側(cè)側(cè)。此此時(shí)發(fā)發(fā)光二二極管管導(dǎo)通通而發(fā)發(fā)光。。電源正正極PN發(fā)光二二極管管發(fā)光光2.2.2PN結(jié)結(jié)的單單向?qū)?dǎo)電性性26此時(shí)發(fā)發(fā)光二二極管管不發(fā)發(fā)光，，說明明PN結(jié)不不導(dǎo)電電。這這個(gè)實(shí)實(shí)驗(yàn)說說明PN結(jié)結(jié)（二二極管管）具具有單單向?qū)?dǎo)電性性。NP發(fā)光二二極管管熄滅滅PN結(jié)結(jié)具有有單向向?qū)щ婋娦?，，若P區(qū)區(qū)的電電位高高于N區(qū)，，電流流從P區(qū)流流到N區(qū)，，PN結(jié)呈呈低阻阻性，，所以以電流流大；；若P區(qū)區(qū)的電電位低低于N區(qū)，，電流流從N區(qū)流流到P區(qū)，，PN結(jié)呈呈高阻阻性，，所以以電流流小。。結(jié)論27

定義當(dāng)外加加電壓壓使PN結(jié)中P區(qū)的電電位高高于N區(qū)的電電位，，稱為為正向偏偏置，簡稱稱正偏。當(dāng)外加加電壓壓使PN結(jié)中P區(qū)的電電位低低于N區(qū)的電電位，，稱為反向偏偏置，簡稱反偏。正向偏偏置反向偏偏置282.2.2.1PN結(jié)加加正向向電壓壓時(shí)的的導(dǎo)電電情況況外電場外加的的正向電電壓有一部部分降降落在在PN結(jié)區(qū)，，方向向與PN結(jié)內(nèi)電電場方方向相相反，，削弱了了內(nèi)電電場。于是是，內(nèi)內(nèi)電場場對多多數(shù)載載流子子擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)動(dòng)的阻阻礙減減弱，，擴(kuò)散電電流加加大。擴(kuò)散散電流流遠(yuǎn)大大于漂漂移電電流，，可忽忽略漂漂移電電流的的影響響，PN結(jié)結(jié)呈現(xiàn)現(xiàn)低阻阻性。內(nèi)電場內(nèi)電場IF292.2.2PN結(jié)結(jié)加反反向電電壓時(shí)時(shí)的導(dǎo)導(dǎo)電情情況PN結(jié)結(jié)加反反向電電壓時(shí)時(shí)，有有一部部分降降落在在PN結(jié)區(qū)區(qū)，方方向與與PN結(jié)內(nèi)內(nèi)電場場方向向相同同，加加強(qiáng)了了內(nèi)電電場。。內(nèi)電場對多子子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的的阻礙增強(qiáng)，，擴(kuò)散電流大大大減小。此此時(shí)PN結(jié)區(qū)區(qū)的少子在內(nèi)內(nèi)電場作用下下形成的漂移電流大于于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻阻性。內(nèi)電場IS外電場在一定的溫度度條件下，由由本征激發(fā)決決定的少子濃濃度是一定的的，故少子形形成的漂移電電流是恒定的的，基本上與與所加反向電電壓的大小無無關(guān)，這個(gè)電電流也稱為反向飽和電流流IS。內(nèi)電場30PN結(jié)加正向向電壓時(shí)，呈呈現(xiàn)低電阻，，具有較大的的正向擴(kuò)散電電流；PN結(jié)加反向向電壓時(shí)，呈呈現(xiàn)高電阻，，具有很小的的反向漂移電電流。PN結(jié)具有單單向?qū)щ娦?1其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和和電流UT——溫度的電電壓當(dāng)量且在常溫下（（T=300K））2.2.2.3PN結(jié)的I-V方程PN結(jié)的電壓壓和電流之間間的關(guān)系為：：32PN結(jié)的伏安安特性曲線如如圖所示。處于第一象限限的是正向伏伏安特性曲線線，處于第三象限限的是反向伏伏安特性曲線線。正向偏置：v>0.1反向偏置：|V|>0.1332.2.3PN結(jié)的反向向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反反向電壓增加加到一定數(shù)值值時(shí)，反向電電流突然快速速增加，熱擊穿——不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。342.2.3PN結(jié)的的擊穿特性1、雪崩擊穿穿

PN結(jié)的反向電壓大于某一值()時(shí),反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的擊穿發(fā)生擊穿所需需的電壓稱為為擊穿電壓（VBR）低參雜、高電電壓2、齊納擊穿穿高參雜、低電電壓351、雪崩擊穿穿反向電壓少子動(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、高電電壓（耗盡區(qū)寬碰撞撞機(jī)會(huì)多）對硅材料：362、齊納擊穿穿條件：高摻雜、低電電壓（耗盡區(qū)窄，低低電壓產(chǎn)生強(qiáng)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(jià)鍵中電子372.2.4PN結(jié)的的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一一定的電容效效應(yīng)，它由兩兩方面的因素素決定。一是勢壘電容容CB，二是擴(kuò)散電容容CD。38(1)勢勢壘電容CB勢壘電容是由由空間電荷區(qū)區(qū)的離子薄層層形成的。勢壘電容示意意圖當(dāng)外加電壓使使PN結(jié)上壓壓降發(fā)生變化化時(shí)，離子薄薄層的厚度也也相應(yīng)地隨之之改變，這相相當(dāng)PN結(jié)中中存儲的電荷荷量也隨之變變化，猶如電電容的充放電電。39(1)勢勢壘電容CB隨著外加電壓壓的變化離子子薄層的厚度度的變化情況況。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40擴(kuò)散電容是由由多子擴(kuò)散后后，在PN結(jié)結(jié)的另一側(cè)面面積累而形成成的。(2)擴(kuò)擴(kuò)散電容CD反之，由P區(qū)區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)區(qū)的空穴，在在N區(qū)內(nèi)也形形成類似的濃度度梯度分布曲曲線。PN結(jié)正偏時(shí)時(shí)，由N區(qū)區(qū)擴(kuò)散到