模擬電子電路2章 工業(yè)大學課程

模擬電子電路2章工業(yè)大學課程第二章常用半導體器件原理基本電路2.1半導體基礎知識2.2PN結2.3晶體二極管2.4雙極性晶體管2.5場效應晶體管2

本征半導體根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體：硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體導電性能受溫度、光照和摻雜影響。2-1半導體物理基礎導體半導體絕緣體3結構特點：１、外層４個電子；２、共價?。窗雽w特性：物質的導電能力由物質原子的內部結構和原子間的組合方式決定。2-1半導體基礎知識4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)2-1半導體基礎知識導電特點３、受光照影響２、受摻雜影響1、無自由電子４、溫度影響52.1.1本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。純凈的含義無雜質晶體結構完整2-1半導體基礎知識6一、半導體中的載流子１、熱力學溫度0K無外界激發(fā)2.1.1本征半導體2-1半導體基礎知識72.1.1本征半導體2、熱力學300K室溫，產生自由電子一、半導體中的載流子光照激發(fā)(c)自由電子空穴本征激發(fā)8一、半導體中的載流子１、熱力學溫度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，而參與導電。2、熱力學300K室溫，產生自由電子空穴：價電子離開共價鍵后留下的空位稱為空穴。這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。2.1.1本征半導體2-1半導體基礎知識93、空穴的移動（動畫2-1）空穴在晶格中的移動10本征激發(fā)和復合的過程（動畫1-1）2.1.1本征半導體二、本征激發(fā)和復合2-1半導體基礎知識11價電子獲得能量掙脫原子核的束縛，成為自由電子，從而可能參與導電。這一現象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)復合自由電子釋放能量而進入有空位的共價鍵，使自由電子和空穴成對消失這一現象稱為復合。在外電場作用下電子空穴對作定向運動形成的電流。漂移電流產生電子空穴對12導電性能發(fā)生變化

N型半導體(2)P型半導體2.1.2雜質半導體在本征半導體中參入雜質的半導體稱雜質的半導體雜質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半導體基礎知識TextTextText參雜結果形成兩種半導體材料13

(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。自由電子14(2)P型半導體提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自由電子>>電子是多數載流子，主要由摻雜形成；空穴是少數載流子，由熱激發(fā)形成。15(2)P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素（如硼、鎵、銦等）形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體?？昭?6(2)P型半導體

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。本征激發(fā)參雜空穴本征激發(fā)自由電子>>空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；電子是少數載流子，由熱激發(fā)形成。17本征室溫下,本征激發(fā)產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雜質對半導體導電性的影響2-1半導體基礎知識典型的數據如下:182.1.4半導體中的電流飄移電流擴散電流在電場作用下，載流子定向運動形成的電流。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擴散，形成擴散電流。擴散電流大小與濃度梯度有關。2-1半導體基礎知識192.2PN結2.2.1PN結的形成2.2.2PN結的單向導電性2.2.3PN結的擊穿特性2.2.4PN結的電容效應20

2.2.1PN結的形成N型半導體和P型半導體緊密結合在一起。在N型半導體和P型半導體的結合面上形成PN結。擴散電流21內電場隨著擴散運動的進行，在界面N區(qū)的一側，雜質變成正離子；在界面P區(qū)的一側，雜質變成負離子。在N型和P型半導體界面的N型區(qū)一側會形成正離子薄層；在N型和P型半導體界面的P型區(qū)一側會形成負離子薄層。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)，稱為內電場，空間電荷區(qū)22內電場的出現及內電場的方向會對擴散運動產生阻礙作用，限制了擴散運動的進一步發(fā)展。在半導體中還存在少子，內電場的電場力會對少子產生作用，促使少數載流子產生漂移運動。內電場漂移電流23內電場擴散電流漂移電流擴散電流漂移電流最后,多子的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。24在N型和P型半導體的結合面上發(fā)生物理過程總結:

因濃度差空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散最后,多子的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。多子的擴散運動

由雜質離子形成空間電荷區(qū)

25濃度差擴散運動電荷區(qū)形成內電場阻止擴散運動促使漂移運動動態(tài)平衡26PN結最重要的特性是單向導電特性，先看如下實驗。實驗：PN結的導電性。按如下方式進行PN結導電性的實驗，因為PN結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成PN結。P區(qū)為正極；N區(qū)為負極。對于圖示的實驗電路，（表示二極管負極的黑色圓環(huán)在右側。此時發(fā)光二極管導通而發(fā)光。電源正極PN發(fā)光二極管發(fā)光

PN結的單向導電性27此時發(fā)光二極管不發(fā)光，說明PN結不導電。這個實驗說明PN結（二極管）具有單向導電性。NP發(fā)光二極管熄滅PN結具有單向導電性，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結呈高阻性，所以電流小。結論28定義當外加電壓使PN結中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為正向偏置，簡稱正偏。當外加電壓使PN結中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292.2.2.1PN結加正向電壓時的導電情況外電場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。于是，內電場對多數載流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結呈現低阻性。內電場內電場IF302.2.2PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓時，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)的少子在內電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。內電場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，這個電流也稱為反向飽和電流IS。內電場31

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

PN結具有單向導電性32其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流UT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）2.2.2.3PN結的I-V方程PN結的電壓和電流之間的關系為：33PN結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|>0.134

PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數值時，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——可逆此現象稱為PN結的反向擊穿。352.2.3PN結的擊穿特性1、雪崩擊穿

PN結的反向電壓大于某一值()時,反向電流突然劇增，這種現象稱為PN結的擊穿發(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361、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)寬碰撞機會多）對硅材料：372、齊納擊穿條件：高摻雜、低電壓（耗盡區(qū)窄，低電壓產生強電場）對硅材料：低電壓產生強電場產生空穴電子對電流劇增耗盡區(qū)窄拉出共價鍵中電子382.2.4PN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CD。39

(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。40

(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：為變容指數為內建電位差41

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。(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。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。42擴散電容示意圖PN結兩側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擴散電流大小不同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43(2)擴散電容CD如果引起的電壓變化量為