模拟电子技术基础 1篇 2章1

1、第二章 1.2.1 半导体材料与PN结 半导体器件的工作机理 cm/1075. 1 6 cm/1010 1612 cmcm/10/1075. 1 126 导体 绝缘体 半导体 影响半导体的导电性能： 温度、纯度。 导电性能介于导体（如金、银等）与绝 缘体（如陶瓷、橡胶）之间的材料； 主要有：Si（硅）Ge（锗）GaAs（砷化 镓）Silicom Germanium Gallium arsenide 一、半导体材料及其电特性 以硅(Si)半导体材料为例： 1. 本征半导体 半导体材料高度提纯后的导体称 为本征半导体。纯度为99.99999% 以上，成为单晶体。 硅原子核外有14个电子,分三层 围

2、绕原子核运动,最外层有4个电子， 受原子核的束缚力最弱。硅材料高 度提纯后，其原子结构排列的十分 整齐。 硅原子 简化原子模型 高度提纯 后的硅原 子结构 本征半导体的电特性 硅单晶体原子结构 排列的非常整齐； 每个原子外层的 四个电子与相邻四 周的原子外层电子 形成稳定的共价键 结构； 绝对零度时，价电子无法争脱本身原子 核束缚，此时本征半导体呈现绝缘体特性； 在室温下，本征半导体非常容易受 热激发产生电子空穴对；这时的载流 子浓度称本征浓度， ii pn 本征浓度随温 度的上升而增 大，所以本征 载流子浓度是 温度的函数。 常温下，本征硅中自由电子的浓度 或空穴的浓度为硅原子浓度的3万亿分

3、 之一。所以本征硅的导电能力是很弱 的。 自由电子和空穴总是成对出现，称 为电子空穴对。电子空穴对的产生称 为本征激发（热激发）。 在本征硅中，自由电子作为携带负 电荷的载流子参加导电。空穴也可以 看成是携带正电荷的载流子（当某器 件导电由两种载流子形成时，该器件 就称双极型器件）。 电子和空 穴载流子 运动说明 出现空穴后，共价键中的价电子 较易填补到这个空位上，过程的持 续进行，相当于空穴在晶体中移动。 在本征激发的同时，自由电子受 原子核的吸引还可能重新回到共价 键中去，这种情况称为复合。 在一定的温度下，热激发产生电子 空穴对与它们的复合达到动态平衡， 电子空穴对维持一定的浓度。 导体

4、中的导电能力由电子空穴对 的浓度决定。 2. 杂质半导体 为了提高半导体 的导电能力，在本 征半导体中掺入某 些微量的有用元素 作为杂质，称为杂 质半导体。 微量有 用杂质 (1) N型半导体 在本征半导体中掺入 磷、砷等五价元素。 由于掺入量极微， 所以硅的原子结构 基本不变，只是某 些硅原子被杂质替 代了。 该原子除外层的 四个电子与相邻四个 硅原子组成稳定的共 价键结构外，仍多出 一个电子，所以，掺 杂后的电子数已远远 超过由热激发而产生 的电子数。 因此，掺杂后半导体中电子为多子， 空穴为少子。称电子型半导体或N型半 导体。 N型半导体中的电子浓度为： D N其中： 称施主原子（为掺杂

5、原子数） DiD NnNni pp 而 掺杂后的多出的电 子非常容易失去（自 由电子），从而使杂 质原子变成带正电的 正离子。 N型半导体的简化符号表示 施主原子 热激发的电子-空穴对 (2) P型半导体 在本征半导体中 掺入微量硼、镓 等三价元素。 由于掺入量极 微，所以硅的原子 结构基本不变，只 是某些硅原子被杂 质替代了。 该原子除外层的 三个电子与相邻四个 硅原子组成共价键结 构外，还缺一个电子， 留下一个空穴。所以， 掺杂后的空穴数已远 远超过由热激发而产 生的空穴数。 因此，掺入三价元素后半导体中的 空穴为多子，电子为少子。称空穴型半 导体或P型半导体。 在P型半导体中的空穴浓度为

6、： A N其中： 称受主原子（为掺杂原子数） AiA NpNpi nn 而 杂质留下的空 穴，非常容易从其 它地方的电子来补 充，从而使杂质原 子变成带负电的负 离子。 P型半导体的简化符号表示 受主原子 热激发的电子-空穴对 在热平衡的条件下，一种半导体中的 两种载流子的乘积是一定的，与所掺杂 质无关。 22 iiii npnpnp 说明在半导体中，掺入杂质越多，少子越少。 N型半导体中的少子浓度： D i N n p 2 P型半导体中的少子浓度： A i N n n 2 可以证明： 例1 在室温27度，本征半导体中的硅 原子浓度为5.11022cm-3，若掺入109 分之一的施主杂质。试求

7、此时半导体 中的电子和空穴浓度，两种半导体的 电阻率？ 3139322 101 . 510101 . 5 cmcmN D 310 1043. 1 cmpn ii 解：求施主浓度 设室温时的本征电子浓度和本征空 穴浓度为 掺杂后的电子浓度 3139313310 101 . 510101 . 51043. 1 cmcmcmNnn Di 掺杂后的少子（空穴）浓度 36 13 2102 101 . 4 101 . 5 )1043. 1 ( cm N n p D i 本征半导体的电导率 1631019 1 ).(1052. 4)4751500(1043. 1106 . 1 .)()( cmcm cmqn

8、pnq pnipinii np , 其中空穴和电子的迁移率 SVcm./ 2 掺杂后电导率 1213619 1 ).(102 . 1)1500101 . 5475101 . 4(106 . 1 .)( cm cmnpq npi 电阻率 本征 掺杂后 cm i i /102 . 2 1 5 cm i /3 .83 1 在半导体中，载流子 有多种运动。但电子 载流子与空穴载流子 产生的运动形成的电 流方向一致。 3.半导体中载流子的运动 载流子的扩散运动由浓度差别引起, 载流子由浓度高的区域向浓度低的区域运动。 扩散电流)/( 2 mA dx dp qDJ Pp )/( 2 mA dx dn qD

9、J nn 载流子的漂移运动电场作用下载流 子的定向运动 电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动。 漂移运动引起的电流称漂移电流。 复合运动载流子在运动过程中，电子 和空穴相遇而消失。 爱因斯坦方程 扩散和漂移都满足热动力现象，而扩散常数 D和迁移率可用爱因斯坦方程表示 T n n p p V D D 电压的温度档量 mVV q KT VT260259. 0 106 . 1 3001038. 1 19 23 其中：K波尔兹曼常数（焦尔/K） T绝对温度（K） q电子电荷量（库仑） 二、PN结 在N型半导体的 基片上，采用平面扩 散法等工艺，掺入三 价元素，使之形成P 型区，则在P区和N区 之间的

10、交界面处将形 成一个很薄的空间电 荷层，称为PN结。 PN结的典型厚度为 0.5m。 在P区的空穴(多子)向N区扩散，从而在P 区一侧留下了不能移动的负离子； 开始时，由 于载流子存在浓 度差，两边的载 流子分别向对方 扩散。 而在N区的电子(多子)向P区扩散，结果 在N区一侧留下了不能移动的正离子； 最终在交界处的正负离子形成了内建电场E。 内电场是多 子的扩散运动引 起的，极性由N 区指向P区。 NP )(ln 2 V n NN VV i DA TO 有了内电场后，对 半导体内载流子的 作用为： 阻碍多子的扩散运动 有利于少子的漂移运动 在PN结开路（无外加电压）时，多 子的扩散运动与少子

11、漂移运动最终将达 到动态平衡，此时扩散电流等于漂移电 流，这时PN结呈现为电中性。 空间电荷层、势垒区、阻挡层、高阻区 阻挡层：指阻挡多数载流子的扩散运动； 耗尽层：指PN结内的载流子被耗尽； 动态平衡后的这 个特殊区域称： 耗尽层的P区厚度和N区厚度可以不对称。 正偏：P() N() 外加电压的电场 方向与PN结内建电场 方向相反，P、N区的 多子各自返回耗尽层， 从而使PN结厚度变薄。 多子的扩散运动将重 新被大大增加。 偏置PN结-给PN结外加电压 而少子的漂移被削 弱，漂移电流远远小 于扩散电流。 此时，正向电流近似 为多子的扩散电流。 此时，外加电场与 内电场方向一致。P、N 区内的

12、多子各自向两头 运动，使得空间电荷区 厚度变厚。从而阻止了 多子的扩散运动，扩散 电流大大减小。而有利 于少子的漂移运动。这 时流过PN结的电流主要 为漂移电流。 反偏：P() N() 少子浓度很低，因 此反向电流很小，通常 可以略去； 另外，在一定的温 度下，靠热激发产生的 少子浓度一定，与外加 电压无关，故又称反向 饱和电流。 可见，PN结有一个十分突出的性质， 正偏时PN结正向导电，有较大电流流过； 反偏时PN结截止，流过PN结的反向电 流很小。 请问：如将PN结短路，PN结会有电 流吗？ PN结的单向导电性 三、PN结的VI特性 / (1) T V V S IIe 理论分析可得:在理

13、想条件下流过PN结的 电流与两端的电压之间 关系为 VT：电压的温度当量，室温下VT26mV IS：反向饱和电流 (1) 正向特性 PN结正偏时，1, T Vv T eVv 则 TT Vv S Vv S eIeIi) 1( )(lg60ln26lnmV I i I i I i Vv SSS T 说明，正向电流大约每增加10倍，二 极管两端电压只增加60mV。 (2)反向特性 PN结反偏时1 T Vv e 在一定温度下,IS基本上为常数。请 思考原因？ 则 S Vv S IeIi T ) 1( (3)温度特性 温度升高时,反向饱和电流增大,正向电 流也增大。 PN结正向电压具有负温度系数。 温度

14、升高10，IS 约增加1倍，电压减小 25mV。 (4)击穿特性 当外加反向电压超过击穿电压时， 反向电流急剧增大，称为反向击穿。 齐纳击穿： 外加电场将价电子直接从共价键中 拉出来，使电子空穴对增多，使电 流剧增。 齐纳击穿多发生在高掺杂的PN结中 雪崩击穿多发生在低掺杂的PN结中 4V以下为齐纳击穿,7V以上为雪 崩击穿,4-7V可两者都有。 雪崩击穿： 当电场足够强时，载流子的漂移 运动被加速，将中性原子中的价 电子“撞击”出来，产生新的电 子空穴对。形成连锁反应（好象 滚雪球一样），使电流剧增。 四、PN结电容 PN结电压变化将引起结区及结外侧载 流子数量(电荷量)的变化，这一效应可

15、用结电容Cj来模拟。 DBj CCC 几十pF 反偏时以垫垒电容为主(Barrier) 正偏时以扩散电容为主（Diffusion） 多子扩散到对方后，成为对方的少子。 因此，结边缘有一少子浓度分布曲线。当 外加正偏电压增大，浓度分布曲线变化相 当于电荷量变化。 CD(扩散电容)：PN结正偏 P区少子电 子浓度 N区少子 空穴浓度 少子浓度分布 )(F rV I dv dq C dT DQ Q D 法拉 当PN结外加反向电压增大或减小时，空 间电荷区将产生宽窄的改变，这相当于两块 平行夹板间距发生变化，把此时的情况看成 平行夹板电容器，此时等效电容为 CB(垫垒电容)：PN结反偏 )(F W A

16、 CB 1.2.2 半导体二极管 二极管由一个 PN结，经管壳封装 后引出相应的电极 而成。 电路符号 （P）（N） 空心三角形箭头表示实际电流方向： 电流从P流向N。 二极管（按PN结的结构分类有） 点接触型面结合型平面型 按制作材料分有：硅管和锗管 二、二极管的伏安特性与参数 由于是一个PN结，所以其VI特 性主要决定于PN结的特性 硅管 锗管 不同材料的二极管,其VI特性略 有差别。 ) 1( T Vv S eIi 在理想条件下，二极管 两端电压和电流关系用 PN结方程表示： 1. 伏安特性 OA：死区 开启电压：Vth AB：近似指数规律 BC：近似恒压源 导通电压 为Von，二极管

17、正向导电时， 通常要工作在 这个区-线性区。 Von 正向特性 Von 正偏时，1, T Vv T eVv 则 TT Vv S Vv S eIeIi) 1( )(lg60ln26lnmV I i I i I i Vv SSS T 说明，正向电流大约每增加10倍，二 极管两端电压只增加60mV。 Von 反向特性 IR(IS) S Vv S IeIi T ) 1( VT：电压的温度当量， 室温下VT26mV ) 1( T Vv S eIi IS：反向饱和电流 1.2.3 特种二极管 一、稳压二极管 利用反向击穿特性 制成，稳压范围从 1V到几百伏不等。 主要参数： 稳定电压VZ 动态电阻rz Z

18、Zz IVr rz愈小，则击穿特性愈 陡，稳压特性愈好。 最大允许耗散功率PZM ZZMZ VPI (max) 反向击穿区起始电流 最大稳定电流IZ(max) 最小稳定电流IZ(min) 稳压管用于简单的稳压电路 ZLR III LZ ZI II R VV 当等效负载电阻 L I Z I 当稳压管电流小于稳压管最小击穿 电流Imin时，稳压电路将失去稳压作 用。所以只能用于负载较轻，IL电流 较小场合。 二、发光二极管 电致发光器件，将电信号转 换成光信号。 通常由磷砷化镓（GaAsP)、 磷化镓（GaP)制成 光的波长（颜色）与材料有关 正偏导通时发光 发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通 二极管大，正向电压一般为1.3-2.4V。亮度与 正向电流成正比，一般需要几个毫安以上。 发光二极管应用电路 半导体数码管 信号（电平） 指示 一段就是一个 发光二极管 绿色、节能照明（大功率、 高亮度 三、光电二极管 正常工作在反偏状态。无光照时，只有 很小的反向饱和电流，称为暗电流；有光 照时，PN结受光激发，产生大量电子空穴 对，形成较大的光电流。 通常由硅材