模拟电子技术

1、第1章第1章 常用半导体器件本章主要内容o半导体基础知识o典型半导体器件的结构及其作用o半导体器件的特性曲线及主要参数第1章 常用半导体器件o 机械类比：电子线路与电路的区别o无源器件：杠杆 有源器件：铲车o输入：人力 输入：人操纵力o源：人 源：发动机o功率比：1 第1章 常用半导体器件o 电气示例：电子线路与电路的区别o 无源器件：变压器 有源器件：晶体管o 输入: vs 输出: vL 输入: vs 输出: vL o 源: vs 源：电池o 功率比：1 第1章 常用半导体器件第1章 常用半导体器件半导体有源器件场效应管晶体管电子系统电子系统第1章 常用半导体器件o物质的导电能力是由原子的结

2、构决定的，与最外层的价电子有关o在通常情况下，根据导电的能力将物质分为导体，半导体，绝缘体第1章 常用半导体器件 导体半导体绝缘体电阻率材料举例铜，铝等硅，锗，砷化镓玻璃,云母,陶瓷,石英641010-(cm)391010-1210硅晶体铜导线玻璃绝缘体第1章 常用半导体器件o 外界条件变化时，物质的导电能力会发生变化。如高温下，玻璃会导电；半导体也如此第1章 常用半导体器件Intrinsic Semiconductor第1章 常用半导体器件第1章 常用半导体器件Si 原子原子Ge原子原子惯性核模型惯性核模型硅和锗的惯性核模型相同硅和锗的惯性核模型相同第1章 常用半导体器件 o 化学成分纯净（

3、一种元素），纯净的半导体o 物理结构呈单晶形态（晶格对称排列），可通过一定的工艺制成o 在绝对零度时，共价键束缚着价电子，半导体内没有自由运动的带电粒子，第1章 常用半导体器件硅和锗晶体结构：金刚石结构金刚石结构第1章 常用半导体器件共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4共用共用电子电子第1章 常用半导体器件自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4等效为空穴的移动，等效为空穴的移动，形成空穴电流形成空穴电流相邻电子过来填补空穴相邻电子过来填补空穴形成自由电子的移动形成自由电子的移动-电子电流电子电流本征激发本征激发本征复合本征复合载流子

4、的运动第1章 常用半导体器件o 运载电荷的粒子-载流子： 自由电子自由电子 空穴空穴o 空穴电流-电子填补空位的移动之反向运动效果，等效的运动第1章 常用半导体器件本征半导体的空穴和自由电子o 必然成对出现，成对消失，达到动态平衡o 在一定温度下，载流子的浓度是一定的本征半导体中的电流是 空穴空穴电流和电流和电子电子电流的和电流的和第1章 常用半导体器件物理意义之一：当材料确定时， ni (pi )与T 成指数关系，即温度对本征半导体的载流子浓度影响很大温度对本征半导体的载流子浓度影响很大。温度升高，浓度增大，导电性能增强；温度降低，浓度减小，导电性能减弱332213/2311 (cm)exp

5、(/2) (cm)(, )GOEkTiiGOGOnpK T eK TEkTf K ET-=-=o 制作热敏和光敏器件o 半导体器件的温度稳定性差o 三万亿个硅原子中约有一个自由电子和一个空穴，即 109:1o 二十亿个锗原子中约有一个自由电子和一个空穴，即 1012:1如何具备导电的基本条件？如何具备导电的基本条件？增加导电粒子（载流子）的浓度第1章 常用半导体器件Extrinsic Semiconductoro 增加载流子的浓度，改变导电性能和类型o 控制掺入杂质的浓度，可以控制导电的性能控制导电的性能第1章 常用半导体器件杂质元素的位置第1章 常用半导体器件杂质半导体的分类杂质半导体的分类

6、-掺入五价元素，如磷，锑，砷等，增加自由电子浓度-掺入三价元素，如硼，镓，铝，铟等，增加空穴浓度第1章 常用半导体器件N型半导体，掺入五价元素，增加自由电子浓度型半导体，掺入五价元素，增加自由电子浓度o 自由电子是多子，空穴是少子自由电子是多子，空穴是少子+4+4+5+4多余电子磷原子磷是施主杂质磷是施主杂质第1章 常用半导体器件o 空穴是多子，自由电子是少子。空穴是多子，自由电子是少子。+4+4+3+4硼原子空空穴穴硼是受主杂质硼是受主杂质P型半导体，掺入三价元素，增加空穴的浓度型半导体，掺入三价元素，增加空穴的浓度第1章 常用半导体器件o 载流子组成 杂质电离产生的多子多子+本征激发产生的

7、载流子o 载流子浓度 多子的浓度等于杂质原子的浓度，而不受温度的影响 少子的浓度很低，但对温度敏感，是半导体性能受温度影响的根本原因 第1章 常用半导体器件杂质半导体具有潜在的导电能力杂质半导体具有潜在的导电能力o掺杂实例室温时，本征锗的ni=2.41013 cm-3,掺入五价砷元素，是锗原子浓度的万分之一，形成N型半导体，求多子和少子的浓度。答： n0: p0=1010，即多子是少子浓度的三百亿倍。o结论：多子对导电能力起决定性作用！多子对导电能力起决定性作用！o多子浓度 n0ni，导电能力会大大增强导电能力会大大增强 但但导电机构不同导电机构不同第1章 常用半导体器件掺杂解决了载流子的浓度

8、问题，但载流子只有随机运动，没有定向运动，不会产生电流，不导电！第1章 常用半导体器件电流的产生第1章 常用半导体器件漂移和扩散运动漂移和扩散运动Drift and Diffusion第1章 常用半导体器件+-V电场U漂移运动电场作用下o 与导体导电的形式相同，但导电粒子不同空穴电流电子电流漂移电流Drift Current第1章 常用半导体器件扩散运动存在浓度梯度时空穴电流电子电流xn0p0n(x)p(x)扩散电流Diffusion Current非平衡载流子o扩散运动是半导体特有的半导体特有的物理现象第1章 常用半导体器件o 扩散电流是半导体特有的半导体特有的电流、区别于导体中电流o 半导

9、体内总电流半导体内总电流=漂移电流漂移电流+扩散电流扩散电流如何控制电流如何控制电流？第1章 常用半导体器件PN Junction第1章 常用半导体器件如何实现单向导电？第1章 常用半导体器件加电场利用漂移运动，类似电阻o 漂移电流与外电场方向相同，双向均导电PNPN第1章 常用半导体器件制造浓度差利用扩散运动，动态平衡o 经过合理组合，可以使扩散电流方向一致PNPNNPPN结结第1章 常用半导体器件动态平衡下的动态平衡下的PN结结（PN Junction）空间电荷区+_+_I IDI IT内建电场p内电场增强漂移运动，阻止扩散运动p漂移和扩散达到平衡，结内净电流为0还是不导电还是不导电！PN

10、第1章 常用半导体器件PNPN结的形成结的形成 扩散交界处的浓度差P区的一些空穴向N区扩散N区的一些电子向P区扩散P区留下带负电的受主离子N区留下带正电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN 结动态平衡第1章 常用半导体器件PN结的动态平衡与内建电场o 根据以上分析，内建电场决定了PN结的动态平衡。o 是不是改变内建电场强度，就可以打破PN结的动态平衡而导电？o PN结的单向导电性是如何实现的？第1章 常用半导体器件o PN结变窄，多子扩散增强，正向电流随V增加空间电荷区+_I IDPNI IT内建电场VRI外电场第1章 常用半导体器件PN结变宽，多子扩散减弱，少子漂移增强，反向电流几乎不随V变化，与少子浓度及温度有关+_I IDI ITPN内建电场VRIs外电场空间电荷区第1章 常用半导体器件o 两端电压与通过电流的关系 i = f (u)o 反向饱和电流 i- Iso 常温下，T=300Ko 热电压ssexp(/)1exp( /)1TiIqu kTIu