大二秋学期模电

2023/11/201第一章半导体器件概述

1.1PN结及二极管

1.2半导体三极管

1.3半导体场效应管

1.4集成运算放大器2023/11/2021.1PN结及二极管1.1.1半导体及PN结1.1.2二极管的基本特性1.1.3二极管的主要参数及电路模型1.1.4特殊二极管

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3～109

cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。特点:导电能力可控(受控于光、热、杂质等)2023/11/2031.1.1半导体及PN结

(1)本征半导体的共价键结构(2)电子空穴对

(3)空穴的移动

本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。1.本征半导体2023/11/204

(1）本征半导体的共价键结构

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图01.01。

图01.01硅原子空间排列及共价键结构平面示意图

(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)2023/11/205

（2）电子空穴对

当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

这一现象称为本征激发，也称热激发。2023/11/206

可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

图01.02本征激发和复合的过程（动画1-1）2023/11/207

(3)空穴的移动

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。见图01.03的动画演示。（动画1-2）图01.03空穴在晶格中的移动2023/11/2082.

杂质半导体(1)N型半导体(2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。2023/11/209

(1）N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子浓度大于空穴浓度，称为多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴称为少数载流子,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

图01.04N型半导体结构示意图2023/11/2010(2)P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；

电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

图01.05P型半导体的结构示意图2023/11/2011(3)杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm32023/11/20123.PN结(1)PN结的形成(2)PN结的单向导电性(3)PN结的伏安特性(4)PN结的电容效应2023/11/2013多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区(1)

PN结的形成2023/11/2014

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差

多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区

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

2023/11/2015

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

图01.06PN结的形成过程

（动画1-3）2023/11/2016两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻2023/11/20171)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–(2)

PN结的单向导电性2023/11/20182.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+2023/11/2019PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2023/11/2020

如果外加电压使PN结中：

P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。2023/11/2021

①

PN结正偏时——导通

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。

（动画1-4）图01.07PN结加正向电压时的导电情况2023/11/2022

②PN结反偏时——截止

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。

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。PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。图01.08PN结加反向电压时的导电情况2023/11/2023

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

（动画1-5）图01.08PN结加反向电压时的导电情况2023/11/2024(3)PN结的伏安特性

由PN结的单向导电特性，有关理论分析，PN结两端偏置电压uD与PN结中流过的电流I之间的关系为：uT——温度电压当量。

2023/11/2025反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压PN结才能导通。

外加电压大于反向击穿电压PN结被击穿。正向特性反向特性特点：非线性UI死区电压

反向电流在一定电压范围内保持常数。2023/11/2026PN结的击穿按击穿机理：

一是齐纳击穿，高掺杂，耗尽层窄，不大的反向电压在耗尽层形成很强的电场，直接破坏共价键。二是雪崩击穿，低掺杂，耗尽层宽，当反向电压增大到较大值是，耗尽层的电场使少子不断被加速，动能增大，与价电子碰撞，产生新的电子-空穴对。2023/11/2027(4)PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。

一是势垒电容CB，

二是扩散电容CD

。2023/11/2028

①

势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的宽度随外加电压的变化而变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少。这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。图01.09势垒电容示意图2023/11/2029

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。②扩散电容CD

反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。2023/11/2030

图01.10扩散电容示意图

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。2023/11/20311.1.2二极管的基本特性1.二极管的结构类型2.二极管的伏安特性曲线3.二极管的开关特性2023/11/20321.二极管的结构类型

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。它们的结构示意图如图01.11所示。(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)点接触型图01.11二极管的结构示意图2023/11/2033

图01.11二极管的结构示意图(c)平面型(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。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型2023/11/20342.二极管的伏安特性曲线

式中IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，UT=kT/q

称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q

为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。

根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示:(1.1)2023/11/2035图01.12二极管的伏安特性曲线图示注意：温度对二极管伏安特性的影响。2023/11/2036

图01.13温度对二极管伏安特性曲线的影响图示2023/11/2037

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。

另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降UD(on）大约减小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图01.13所示二极管的伏安特性曲线上看出。2023/11/2038(1)正向特性

硅二极管的死区电压Uth=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Uth=0.1V左右。

当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。

当U＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。2023/11/2039(2)反向特性当U＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当UBR＜U＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

。

当U≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。2023/11/2040

在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。

硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

从击穿的机理上看，硅二极管若|UBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|UBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。2023/11/20413.二极管的开关特性

(1)反向恢复过程(2)反向恢复过程形成的原因

(3)二极管的开通时间

2023/11/2042(1)反向恢复过程2023/11/2043(2)反向恢复过程形成的原因

当外加输入电压由正偏突变为反偏时，原来的少子积累并不会马上消失，而是在反向电场作用下，一方面进一步与多子复合，另一面将漂移到原来的区域，即Ｎ区的空穴漂移至Ｐ区，而Ｐ区的电子被拉至Ｎ区。这些载流子的消失需要时间，且此时PN结仍处于正偏，所以形成了较大的反向电流。2023/11/2044(3)二极管的开通时间理论上讲，二极管从反向截止转向正向导通亦需要一定的时间，也称其为开通时间，但开通时间与反向恢复时间相比要短得多，它对二极管的开关速度几乎不产生影响，所以一般都忽略不计。2023/11/20451.1.3二极管的主要参数及电路模型

(1)最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。

为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压UR一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。1.二极管的主要参数2023/11/2046

(3)反向电流IR

(4)正向压降UD(on)(5)动态电阻rd

在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(

A)级。

在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。

反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即

rd=

UF/

IF2023/11/2047正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。当iD≥1mA时，vD=0.7V。（1）理想模型（2）恒压降模型2.二极管电路模型二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。2023/11/20483.折线模型（实际模型）4.小信号模型（微变等效电路）2023/11/20491.1.4特殊二极管

1、稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图01.14所示。2023/11/2050

图01.14稳压二极管的伏安特性

(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路(b)(c)(a)图示2023/11/2051从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。

(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。