电路与电子技术基础第6章(海大)

1.半导体⑴半导体的物理特性物质根据其导电性能分为导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。第一节半导体基础知识当前第1页\共有65页\编于星期三\6点半导体的导电能力具有独特的性质。①温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；②在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；③纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。当前第2页\共有65页\编于星期三\6点⑵半导体的晶体结构原子的组成：带正电的原子核若干个围绕原子核运动的带负电的电子且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。

当前第3页\共有65页\编于星期三\6点简化原子结构模型如图的简化形式。+4惯性核价电子硅和锗的简化原子模型当前第4页\共有65页\编于星期三\6点单晶半导体结构特点：共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。下图是晶体共价键结构的平面示意图。晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键当前第5页\共有65页\编于星期三\6点2.半导体的导电原理

⑴本征半导体（IntrinsicSemiconductor）纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子—载流子的多少。

本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=－273℃）时，相当于绝缘体。

在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。当前第6页\共有65页\编于星期三\6点半导体中的载流子自由电子空穴空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴带正电荷。当前第7页\共有65页\编于星期三\6点在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。动画当前第8页\共有65页\编于星期三\6点BA空穴自由电子图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。当前第9页\共有65页\编于星期三\6点由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。当前第10页\共有65页\编于星期三\6点半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程当前第11页\共有65页\编于星期三\6点综上所述：(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。(2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生，ni=pi。(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。当前第12页\共有65页\编于星期三\6点a:空穴带正电量b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反空穴：自由电子载流子：带单位负电空穴载流子：带单位正电1、在本征激发（或热激发）中，电子，空穴成对产生。2、在常温下本征半导体内有两种载流子。载流子：物体内运载电荷的粒子，决定物体的导电能力。在外电场的作用下，电子、空穴运动方向相反，对电流的贡献是叠加的。注意：当前第13页\共有65页\编于星期三\6点本征激发电子空穴E

g1电子空穴随机碰撞复合（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发动态平衡复合是电子空穴对的两种矛盾运动形式。则ni=pi本征载流子浓度：当前第14页\共有65页\编于星期三\6点⑵杂质半导体本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素——“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。当前第15页\共有65页\编于星期三\6点常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。当前第16页\共有65页\编于星期三\6点N型半导体室温T=300k++5当前第17页\共有65页\编于星期三\6点P型半导体-当前第18页\共有65页\编于星期三\6点综上所述：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。当前第19页\共有65页\编于星期三\6点(3)漂移电流与扩散电流引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动――漂移运动（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动――扩散运动（扩散电流）

漂移电流

在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压V，在电场E的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：EV●●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●当前第20页\共有65页\编于星期三\6点扩散电流光照N型半导体x●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●●●●●●●●○○○○○●●●当前第21页\共有65页\编于星期三\6点NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------一、半导体的接触现象第二节PN结及半导体二极管当前第22页\共有65页\编于星期三\6点一PN结的动态平衡过程和接触电位消弱内建电场ENP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------热平衡（动态平衡）动画当前第23页\共有65页\编于星期三\6点NP++++++++++++++++----------------E动画二、PN结的单向导电特性当前第24页\共有65页\编于星期三\6点1.正向偏置，正向电流RUNP++++++++++++++++----------------UiD扩散iDiDiDiD++__当前第25页\共有65页\编于星期三\6点NP++++++++++++++++----------------2.反向偏置，反向电流RUUiRNP++++++++++++++++----------------iRiRiRiR++__当前第26页\共有65页\编于星期三\6点①PN结外加正向电压PN结外加正向电压时（P正、N负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。当前第27页\共有65页\编于星期三\6点PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结的反向电流受温度影响很大。②PN结外加反向电压

当前第28页\共有65页\编于星期三\6点结论：PN结的单向导电性：PN结加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。当前第29页\共有65页\编于星期三\6点定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线——PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为外加电压流过PN结的电流电子电荷量q=1.6×10-19C反向饱和电流绝对温度(K)玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K自然对数的底3、PN结的伏安特性当前第30页\共有65页\编于星期三\6点令

在常温下，T=300K，

则当U大于UT数倍即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。当前第31页\共有65页\编于星期三\6点外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时，

I≈-IS即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。当前第32页\共有65页\编于星期三\6点曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。U（mV）I（mA）0图

PN结的理论伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52画出PN结的理论伏安特性曲线。当前第33页\共有65页\编于星期三\6点加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所示。

反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。UBRU（V）I（mA）0图4-6PN结反向击穿当前第34页\共有65页\编于星期三\6点当前第35页\共有65页\编于星期三\6点4、

PN结的电容效应当前第36页\共有65页\编于星期三\6点++++++++++++++++----------------RUU++__iR++++++++++++++++----------------当前第37页\共有65页\编于星期三\6点载流子浓度。。。。。。。。。。。。。。。。ΔQpΔQn.................

PNU+ΔU⊕⊕⊕⊕⊕⊕------。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。...................................................（2）扩散电容当前第38页\共有65页\编于星期三\6点1.半导体二极管的结构和类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(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。(a)点接触型

二极管的结构示意图三、半导体二极管当前第39页\共有65页\编于星期三\6点PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

往往用于集成电路制造中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

(3)平面型二极管

(2)面接触型二极管(4)二极管的代表符号(b)面接触型阳极阴极当前第40页\共有65页\编于星期三\6点半导体二极管图片当前第41页\共有65页\编于星期三\6点半导体二极管图片当前第42页\共有65页\编于星期三\6点半导体二极管图片当前第43页\共有65页\编于星期三\6点2.二极管的伏安特性

二极管的伏安特性的测出。VmAVDRRW（a）测正向特性VmAVDRRW（b）测反向特性当前第44页\共有65页\编于星期三\6点二极管的伏安特性曲线可用下式表示(a)二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD（b）2CP10-20的伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）75℃20℃（c）2AP15的伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8当前第45页\共有65页\编于星期三\6点①正向特性死区电压：硅管0.5V锗管0.1V线性区：硅管0.6V～1V锗管0.2V～0.5V对温度变化敏感：温度升高→正向特性曲线左移温度每升高1℃→正向压降减小约2mV。(a)二极管理论伏安特性正向特性CDoBAUBRuDiD当前第46页\共有65页\编于星期三\6点②反向特性反向电流：很小。硅管0.1微安锗管几十个微安受温度影响大：温度每升高10℃→反向电流增加约1倍。③反向击穿特性反向击穿UBR:几十伏以上。(a)二极管理论伏安特性反向击穿特性CDoBAUBRuDiD反向特性当前第47页\共有65页\编于星期三\6点3.二极管的主要参数当前第48页\共有65页\编于星期三\6点4.二极管的等效电路及应用二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似处理，可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的等效电路。最常用的近似方法有二种。当前第49页\共有65页\编于星期三\6点⑴理想二极管等效电路uDiDoDK理想二极管等效电路如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。当前第50页\共有65页\编于星期三\6点⑵考虑正向压降的等效电路在二极管充分导通且工作电流不是很大时，二极管的正向压降UD变化不大（例如硅管约为0.6~0.8V），因此近似认为二极管正向导通时有一个固定的管压降UD（硅管取0.7V，锗管取0.2V），于是可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。当外加电压U<UD时，二极管不通，电流为零，相当于开路。图中画出了这种近似等效电路。

当前第51页\共有65页\编于星期三\6点uDiDoDUD考虑正向压降的等效电路KUD当前第52页\共有65页\编于星期三\6点由于二极管具有单向导电性，因此利用它可以进行交流电到直流电的转换。这样的电路叫整流电路。图(a)就是一个实用的单相桥式全波整流电路，常应用于直流稳压电源中。四个二极管Dl~D4接成电桥形式。设交流电源u为：

u

π2π3π4πtwouo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）3、二极管电路的分析方法动画当前第53页\共有65页\编于星期三\6点在一般整流电路中，交流电压幅值Um都要远远大于二极管的正向压降UD，因此常近似为UD

=0，可以用理想二极管等效电路来分析电路的工作原理。当交流电源u>0时，二极管Dl、D3导通，相当于开关闭合；D2、D4截止，相当于开关断开，如图(b)所示。因此输出电压uO=u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2D1D3ioAB（b）+-当前第54页\共有65页\编于星期三\6点当u<0时，二极管D2、D4导通，Dl、D3截止，如图(c)所示。因此uO=-u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uou+_RLD4D2D1D3ioAB（c）+-当前第55页\共有65页\编于星期三\6点这样无论在交流电源u的正半周还是负半周，负载RL两端的输出电压uO始终是上正下负；RL电阻中的输出电流iO始终是由A点流向B点。对应于交流电源u的波形可以画出uO，iO及二极管中的电流iD的波形如图(d)所示。

u

π2π3π4πtwo

uo（io）

π2π3π4πtwo

iD

π2π3π4πtwo

iD1iD3

iD2iD4

（d）当前第56页\共有65页\编于星期三\6点图(a)是一个二极管组成的限幅电路。这种电路常用于有选择地传输信号波形的一部分，所传输的波形部分处在电路设定的参考电压以上或以下。DURRuou++––（a）uo当前第57页\共有65页\编于星期三\6点电路中u为交流正弦电压信号。UR为直流参考电压源。D为普通二极管。现在用考虑正向压降的二极管等效电路来分析电路的工作情况。若D为硅管，则正向导通压降UD=0.7V。从而得到图(b)的等效电路。DURRuou++––（a）kURRuou++––（b）UD当前第58页\共有65页\编于星期三\6点从图(b)的等效电路可见，当u>0且u>UR+UD时，二极管D导通，开关闭合，输出电压UO=UR十UD。