模拟电子技术基础：1.1 半导体的基本知识

1.1.1

半导体材料

1.

半导体的共价键结构

2.

本征半导体

1.1.2

杂质半导体半导体的导电机制1.1半导体的基本知识典型的半导体材料

元素 硅（Si）、锗（Ge）化合物 砷化镓（GaAs）掺杂元素或化合物 硼（B）、磷（P）1.1.1

半导体材料:导电能力介于导电与不导电之间半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。导体

绝缘体导电能力用电阻率(或电导率）来描述：导体＜10-4Ωcm绝缘体＞109Ωcm导体、绝缘体和半导体的划分半导体硅14、锗3214原子核电子价电子硅的原子结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构电子不仅围绕在原子核运动,而且出现在相临原子的轨道,成为公用电子,这样的组合就称为共价键本征半导体本征半导体——化学成分纯净（99.99999％）的半导体单晶体。须在单晶炉中提炼得到。本征半导体的导电机制：

自由电子和空穴对——热激发或光照使价电子获得挣脱共价键束缚的能量，成为自由电子，同时共价键中留下一个空穴。（1）外电场使自由电子导电（2）同时也使相邻共价键中受束缚的价电子依次充填空穴，产生空穴的移动效果而导电本征半导体内电子和空穴浓度相等载流子:运载电荷的粒子本征半导体有两种载流子：自由电子和空穴本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失.动态平衡:

在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。(浓度公式P11)1.1.2

杂质半导体

半导体的掺杂在本征半导体中人为掺入某些微量元素作为杂质，称为杂质半导体。在提炼单晶的过程中一起完成。掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。三价元素掺杂——P型半导体在硅（锗）单晶中掺入少量三价元素硼，或铝、铟、镓等，三价元素原子在晶格中缺少一个价电子，从而造成一个空位空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。空位俘获电子后，使杂质原子成为负原子。三价杂质因而也称为受主杂质(受主原子)。负离子束缚于晶格中，不参与导电。掺杂后P型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度，

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，它仍由热激发形成。五价元素掺杂——N型半导体在硅（锗）单晶中掺入少量五价元素磷，或砷、锑等，则五价元素原子在晶格中多余一个价电子多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子称为施主杂质(施主原子)。在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子)，它主要由掺杂形成；空穴是少数载流子(少子)，它仍由热激发形成。

PN结：空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层

PN结的形成

PN结的单向导电性－伏安特性及其表达式

PN结的其它性质－反向击穿、电容效应本节中的有关概念

1.1.1

PN结的形成

1.1.2

PN结的单向导电性

1.1.3

PN结的反向击穿

1.1.4

PN结的电容效应1.1PN结的形成及特性1.1.1

PN结的形成PN结的形成条件两种导电类型的半导体共居于同一块半导体单晶中，在交界面上形成PN结工艺简介：（1）合金法

（2）电形成法

（3）平面扩散法（1）两边的浓度差引起载流子的扩散运动（2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移（3）扩散和漂移动态平衡：PN结（空间电荷区、阻挡层、耗尽层）

负离子区与正离子区的宽度也相等(浓度相同)，称为对称结。

PN结的形成过程因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。平衡PN结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，所以外观PN结中没有电流。多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区小结考虑外加电压于PN结上，根据外加电压的极性有两种情况PN结加正向偏置电压（正偏）：PN结加正向电压时的导电情况1.1.2

PN结的单向导电性外加电压使内电场减小以致

阻挡层变窄多子形成的扩散电流增加漂移电流减小从电源正极有流入P区的正向电流P区接电源正极，或使P区的电位高于N区

2

PN结加反向偏置电压（反偏,截止)

PN结加反向电压时的导电情况由于在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。N区接电源正极，或使得N区的电位高于P区外加电压使内电场增加以致

阻挡层加宽扩散电流进一步减小趋于零少子形成的漂移电流居支配地位从电源正极有流入N区的很小的反向电流

其中PN结的伏安特性(正向特性/反向特性)IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量常温下（T=300°K）3PN结V-I特性（伏安特性）表达式vD——PN结外加电压PN结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻；PN结导通PN结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。PN结截止∴PN结具有单向导电性。4结论当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。1.1.3

PN结的反向击穿PN结的反向击穿现象击穿的物理本质（1）雪崩击穿：碰撞电离（2）齐纳击穿：场致激发（3）热击穿：PN结过热强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗

PN结温升高本征激发加剧反向电流更大连锁反应反向电压增加少子漂移加快动能增加碰撞电离连锁反应

势垒电容示意图电容是电荷在两个极板间的积累效应。外加电压变化势垒层宽度变化积累在势垒层的电荷变化1、势垒电容CB

：PN结内载流子的复合相当于电荷的积累，所以PN结呈现电容效应正偏和反偏时都有CB。正向电压越大，CB越大。1.2.4

PN结的电容效应扩散电容示意图2、扩散电容CD：载流子向对方区域的扩散，必须有浓度差，即P(N)区有电荷的积累。外加电压变化P(N)区浓度差变化正偏时才存在CD。正向电流越大，CD越大1.2.4PN结的电容效应

PN结：空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层

PN结的形成

PN结的单向导电性－伏安特性及其表达式

PN结的其它性质－反向击穿、电容效应本节中的有关概念

1.2.1

半导体二极管的结构

1.2.2

二极管的伏安特性

1.2.3

二极管的参数实物图片1.2半导体二极管

在PN结上加上引线和封装，就成为一个分立的半导体二极管元件。1.2.1

半导体二极管的结构（物理形态）根据制造材料的不同，有硅和锗两种不同种类的二极管，两者性能上也有差异。根据制造工艺的不同，二极管有不同结构，分别适用于不同应用场合。

(a)点接触型

二极管的结构示意图(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(b)面接触型(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于大电流整流电路。(c)平面型(4)二极管的代表符号(3)平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

(1)二极管元件的伏安特性曲线逐点测量1.2.2

二极管的伏安特性(2)二极管元件的伏安特性公式表示

锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性硅二极管2CP10的V-I特性反向击穿特性反向特性正向特性与PN结的伏安特性类似而不完全相同硅管的正向压降0.5-0.7伏，锗管的正向压降0.2-0.3伏硅管的反向电流极小，锗管的反向电流较大正向:温度升高

PN结电压减小（-2.5mV/℃）反向:温度升高反向电流增大（）

二极管的分类1.2.3

二极管的参数按材料：硅二极管、锗二极管按结构：点接触、面结合按用途：整流管、检波管、稳压管、开关管(国标)：国产二极管的命名方案

最大整流电流（平均值）IF

允许通过的最大正向平均电流。(2)（最大整流电流时的）正向压降VF(3)反向电流IR：未击穿(4)反向击穿电压VBR(5)最高反向工作电压VRM二极管的直流参数（工作参数和极限参数）(6)最高工作频率

PN结构造与二极管结构

二极管的伏安特性：正向、反向、击穿

二极管的参数定义：直流、交流、极限

分立晶体管元件参数的典型值及离散性本节中的有关概念{end}半导体二极管图片1半导体二极管图片2半导体二极管图片31.2.4二极管的等效电路能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。也称为等效模型

(根据器件物理原理/根据器件特性)。由伏安特性折线化得到的等效电路如图1.2.4所示。图1.2.4由伏安特性折线化得到的等效电路一.伏安特性实线是折线化的伏安特性曲线，虚线是实际伏安特性曲线

1.理想模型3.折线模型

2.恒压降模型一.由伏安特性折线化得到的等效电路

根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300°K）即二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。

3.5.1

稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电压击穿状态。－－雪崩和齐纳特性1.2.5特殊二极管＊击穿曲线很陡,几乎平行纵轴,表现出稳定性(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流