模擬電路基礎教程課件

緒論1.電子技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術的應用范圍3.本課程與其它專業(yè)課的關系4.電子技術基礎學習特點緒論1.電子技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術的應用范圍3.1參考書：《模擬電子技術基礎》（第四版）：清華大學童詩白、華成英主編2.《電子技術基礎》（模擬部分第四版）：華中理工大學康華光主編參考書：《模擬電子技術基礎》（第四版）：2.《電子技術基21.1半導體的基本知識1.2PN結1.3半導體二極管第一章晶體二極管1.1半導體的基本知識第一章晶體二極管31.1半導體的基本知識1.1.1本征半導體及其導電性1.1.2雜質半導體1.1.3半導體的溫度特性

根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。半導體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。1.1半導體的基本知識1.1.1本征半導體及其導電性1.41.1.1本征半導體及其導電性

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。1.1.1本征半導體及其導電性本征半導體——化學成5

(1）本征半導體的共價鍵結構

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結構的立體和平面示意圖見圖01.01。

圖01.01硅原子空間排列及共價鍵結構平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結構平面示意圖(c)(1）本征半導體的共價鍵結構硅和鍺是四6

（2）電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。（2）電子空穴對當導體處于熱力學溫度0K時7

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖01.02所示。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

圖01.02本征激發(fā)和復合的過程（動畫1-1）可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成8

(3)空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的，因此，空穴的導電能力不如自由電子（見圖01.03的動畫演示）。（動畫1-2）圖01.03空穴在晶格中的移動(3)空穴的移動自由電子的定向運動形成91.1.2雜質半導體(1)N型半導體(2)P型半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質后的本征半導體稱為雜質半導體。1.1.2雜質半導體(1)N型半導體在10

(1）N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成

N型半導體,也稱電子型半導體。

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質原子也被稱為施主雜質。N型半導體的結構示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導體結構示意圖(1）N型半導體在本征半導體中摻入五價11(2)P型半導體本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導體中空穴是多數(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。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導體的結構示意圖

圖01.05P型半導體的結構示意圖(2)P型半導體本征半導體中摻入三價雜質121.1.3雜質對半導體導電性的影響

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm31.1.3雜質對半導體導電性的影響摻入13雜質半導體簡化模型雜質半導體簡化模型141.2PN結1.2.1PN結的形成1.2.2PN結的單向導電性1.2.3PN結的電容效應1.2PN結1.2.1PN結的形成1.2.2P151.2.1

PN結的形成

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移內電場阻止多子擴散1.2.1PN結的形成在一塊本征半導體16

最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結,在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖01.06PN結的形成過程

（動畫1-3）

PN結形成的過程可參閱圖01.06。最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于171.2.2

PN結的單向導電性

如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

1.2.2PN結的單向導電性如果外加電壓使PN結中18

(1)PN結加正向電壓時的導電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結呈現(xiàn)低阻性。

PN結加正向電壓時的導電情況如圖01.07（動畫1-4）圖01.07PN結加正向電壓時的導電情況(1)PN結加正向電壓時的導電情況外加的正向電19

(2)PN結加反向電壓時的導電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結呈現(xiàn)高阻性。

在一定溫度條件下，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，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結加反向電壓時的導電情況如圖01.08所示。圖01.08PN結加反向電壓時的導電情況(2)PN結加反向電壓時的導電情況20

PN結外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

（動畫1-5）圖01.08PN結加反向電壓時的導電情況PN結外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散21

1.在雜質半導體中多子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數(shù)量與。（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數(shù)量。

（a.減少、b.不變、c.增多）abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：1.在雜質半導體中多子的數(shù)量與2.221.2.3PN結的電容效應

PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。

一是勢壘電容CB

二是擴散電容CD1.2.3PN結的電容效應PN結具有一23

(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。圖01.09勢壘電容示意圖(1)勢壘電容CB勢壘電容是由空間電24

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴散電容CD

反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖01.10所示。擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面25

圖01.10擴散電容示意圖

當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。圖01.10擴散電容示意圖當外加正向電26緒論1.電子技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術的應用范圍3.本課程與其它專業(yè)課的關系4.電子技術基礎學習特點緒論1.電子技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術的應用范圍3.27參考書：《模擬電子技術基礎》（第四版）：清華大學童詩白、華成英主編2.《電子技術基礎》（模擬部分第四版）：華中理工大學康華光主編參考書：《模擬電子技術基礎》（第四版）：2.《電子技術基281.1半導體的基本知識1.2PN結1.3半導體二極管第一章晶體二極管1.1半導體的基本知識第一章晶體二極管291.1半導體的基本知識1.1.1本征半導體及其導電性1.1.2雜質半導體1.1.3半導體的溫度特性

根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。半導體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。1.1半導體的基本知識1.1.1本征半導體及其導電性1.301.1.1本征半導體及其導電性

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。1.1.1本征半導體及其導電性本征半導體——化學成31

(1）本征半導體的共價鍵結構

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結構的立體和平面示意圖見圖01.01。

圖01.01硅原子空間排列及共價鍵結構平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結構平面示意圖(c)(1）本征半導體的共價鍵結構硅和鍺是四32

（2）電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。（2）電子空穴對當導體處于熱力學溫度0K時33

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖01.02所示。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

圖01.02本征激發(fā)和復合的過程（動畫1-1）可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成34

(3)空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的，因此，空穴的導電能力不如自由電子（見圖01.03的動畫演示）。（動畫1-2）圖01.03空穴在晶格中的移動(3)空穴的移動自由電子的定向運動形成351.1.2雜質半導體(1)N型半導體(2)P型半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質后的本征半導體稱為雜質半導體。1.1.2雜質半導體(1)N型半導體在36

(1）N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成

N型半導體,也稱電子型半導體。

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質原子也被稱為施主雜質。N型半導體的結構示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導體結構示意圖(1）N型半導體在本征半導體中摻入五價37(2)P型半導體本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導體中空穴是多數(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。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導體的結構示意圖

圖01.05P型半導體的結構示意圖(2)P型半導體本征半導體中摻入三價雜質381.1.3雜質對半導體導電性的影響

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm31.1.3雜質對半導體導電性的影響摻入39雜質半導體簡化模型雜質半導體簡化模型401.2PN結1.2.1PN結的形成1.2.2PN結的單向導電性1.2.3PN結的電容效應1.2PN結1.2.1PN結的形成1.2.2P411.2.1

PN結的形成

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移內電場阻止多子擴散1.2.1PN結的形成在一塊本征半導體42

最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結,在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖01.06PN結的形成過程

（動畫1-3）

PN結形成的過程可參閱圖01.06。最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于431.2.2

PN結的單向導電性

如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

1.2.2PN結的單向導電性如果外加電壓使PN結中44

(1)PN結加正向電壓時的導電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結呈現(xiàn)低阻性。

PN結加正向電壓時的導電情況如圖01.07（動畫1-4）圖01.07PN結加正向電壓時的導電情況(1)PN結加正向電壓時的導電情況外加的正向電45

(2)PN結加反向電壓時的導電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結呈現(xiàn)高阻性。

在一定溫度條件下，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，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結加反向電壓時的導電情況如圖01.08所示。圖01.08PN結加反向電壓時的導電情況(2)PN結加反向電壓時的導電情況46

PN結外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。

（動畫1-5）