模拟电子技术-第1章

三、本征半导体中载流子的浓度
本征激发 复合 动态平衡
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。 本征半导体中载流子的浓度公式：
3 2 E GO 2 KT
ni pi K1T e
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.43×1010/cm3
+4
本征半导体两端外加一电场，则自由电子将产生定
向运动，形成电子电流；同时价电子将一定的方向依次 填补空穴，即空穴移动，形成空穴电流。它们二者运动
方向相反，其电流是两个电流之和。
运载电荷的粒子称为载流子。半导体中存在两种载 流子，即自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电 的最大特点，也是与导体导电的本质区别。
(或锗)半导体中产生很多自由 电子。在常温下，热激发产生
+4
+4
+4 自由电子
电子--空穴对。这样，n>>p，
所以称为自由电子为多数载流 子，而空穴称为少数载流子。
+4
+5 +4
+4 施主原子
+4
+4
+4
N 型半导体
由于杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。这种半 导体主要靠自由电子导电，称为电子型半导体，因电子带负 电，所以称为N型半导体（Negative）。
有些结面积大的二极管可达几百皮法。 在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。
1.2 半导体二极管
将PN结用管壳封装起来，并加上电极引线，就构成半 导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N 区引出的电极为阴极，常见的外形如图示。
1.2.1
二极管的结构及分类
一、按内部结构分类
1. 点接触型二极管
扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等 于零，空间电荷区的宽度达到稳定。 即扩散运动与漂移 运动达到动态平衡。
二、PN 结的单向导电性
1. PN结 外加正向电压时处于导通状态 又称正向偏置，简称正偏。
PN结处于导通 状态，呈现正 向电阻很小。
2.两种载流子
若 T ，将有少数价电 子克服共价键的束缚成为自 由电子，在原来的共价键中 留下一个空位——空穴。 自由电子和空穴使本征 半导体具有导电能力，但很 微弱。 空穴可看成带正电的载 流子。自由电子与空穴数 目相等，是成对出现的。
T
+4 空穴
+4
+4 自由电子
+4
+4
+4
+4
+4 本征半导体中的 自由电子和空穴
二、P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的3价元素（如 硼），由于硼原子最外层只有三个价电子，与硅原子的价电 子组成共价键时，则硼原子的周围少一个价电子，即出现一 个“空位”（空穴），如图示。
+4 +4 空穴 +4
空穴为多数载流子，电子 为少数载流子。空穴浓度 多于电子浓度，即 p >> n。 3价杂质原子为受主原子。 这种半导体主要靠空穴导电， 称之为空穴型半导体，因空 穴带正电，所以称为P型半 导体（positive)。
(b) P 型半导体
杂质半导体的的简化表示法
1.1.3
PN结
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另 一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，称为 PN 结。
一、PN 结的形成 P
PN结
N
PN 结中载流子的运动
1. 扩散运动 电子和空穴 浓度差形成多数 载流子的扩散运 动。 2. 扩散运动 形成空间电荷区 —— PN 结，耗 尽层。
+4
+3 +4 受主 原子
+4
+4
+4
P型半导体
+4
说明：
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
(a)N 型半导体
本征锗的电子和空穴浓度:
n = p =2.38×1013/cm3
小结：
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。
当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。 势垒电容 电容效应包括两部分 扩散电容 1. 势垒电容Cb 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
P
空间 电荷区 空间 电荷区
五、PN结的电容效应
N I
P
N
I
+
V
U
R


V
U
R
+
(a) PN 结加正向电压
（b) PN 结加反向电压
选用童诗白、华成英主编的《模拟电子技 术基础》（第四版），该教材是成熟的一本经典 教材，优秀教材。
*参考书：（1）康华光主编的《电子技术基础》模
拟电子技术部分。 （2）华成英编的《模拟电子技术基础》 （第四版）习题解答。
5. 内容：
（1）常用半导器件; （2）基本放大电路; （3）多级放大电路； （4）集成运算放大电路； （5）放大电路的频率响应； （6）放大电路中的反馈； （7）信号的运算和处理； （8）波形的发生和信号的转换； （9）功率放大电路； （10）直流电源。
随着电子技术的发展，电子器件在飞速发展。 •47年 •58年 贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路
•69年
•75年
大规模集成电路
超大规模集成电路 第二代(晶体管) 第三代(
它由第一代（电子管）
集成电路)
成电路)。
第四代(大规模集成)
第五代( 超大规模集
而半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，它 们的核心是PN结，要了解PN结首先要了解半导体的特性。
6.课程教学目标
学生初步具有一看、二算、三选、四干的能力。
所谓会看，就是能看懂典型的电子设备的原 理图，了解各部分的组成及其工作原理； 会算，就是对各环节的工作性能会进行定性或 定量分析、估算；
会选和会干，就是遇到本专业的一般性任务， 能大致选定方案，选用有关的元、器件，并且通过 安装调试把它基本上研制出来。至于会选和会干， 将在课程设计、实验课和实训等实践教学环节中培 养。
空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的 放电和充电过程。
势垒电容的大小可用下式表示：
dQ S S ：结面积； Cb dU l l ：耗尽层宽度。
由于 PN 结 宽度 l 随外加 电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (u) 曲线如图示。
：半导体材料的介电比系数；
P
耗尽层 空间电荷区
P
N
N
3. 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 电位壁垒； —— 内电场；内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。 4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。 少子的运动 与多子运动方向 相反
阻挡层 空间电荷区
P
N
内电场
Uho
5. 扩散与漂移的动态平衡
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体 P 型半导体
杂质半导体有两种
一、N型半导体(Negative)
在本征硅或锗中掺入微量的5价元素(如磷)，由于 磷原子最外层有5个价电子，与硅(锗)原子的价电子组 成共价键时，则磷原子还多出一个电子，它不受周围原 子核的束缚，易脱离磷原子核对它的束缚而成为自由电
子，如图所示。这样，在硅
结论： PN结具有单向导电性，即正偏时导通，反偏时 截止。
三、PN 结的电流方程 PN结所加端电压u 与流过的电流i 的关系为
qu kT
i IS ( e
1 )
1 )
IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT 26 mV
i IS ( e
u
UT
公式推导过程略
特点：PN结的面积 小，允许通过电流小， 用于小电流整流或作 开关； 结电容小，用于高频 检波。
二极管的结构示意图
点接触型
2. 面接触型二极管
特点：PN结面积大， 允许通过的电流大（可 达上千安），用于低频 整流；结电容大，主 要用于低频电路，不能 用于高频电路
Hale Waihona Puke QOx x = 0 处为 P 与 耗 尽层的交界处
综上所述：
PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容Cd 两部分。Cj= Cb +Cd 一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要 作用，即可以认为 Cj Cd； 当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。
Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 ~ 几十皮法，
纯净的具有晶体结构的半导体
二、本征半导体 1.晶体结构
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体 。
+4
+4
+4
价 电 子
将硅或锗材料提纯 便形成单晶体，它 的原子结构为共价 键结构。