《电工电子技术》第6章

子不受共价键的束缚，因此在常温下有足够的能量使它 成为自由电子，如图6.5所示。这样，掺入杂质的硅半 导体就具有相当数量的自由电子，且自由电子的浓度远 大于空穴的浓度。显然，这种掺杂半导体主要靠电子导 电，称为N型半导体。
＋4 ＋4 ＋4
由施主原子提供 的多余电子
＋4
＋5
＋4
施主正离子
＋4 ＋4 ＋4
图6.5 N型半导体的共价键结构
由于掺入的五价杂质原子可提供自由电子，故称为 施主杂质。每个施主原子给出一个自由电子后都带上一 个正电荷，因此杂质原子都变成正离子，它们被固定在 晶格中不能移动，也不参与导电。 此外，在N型半导体中热运动也会产生少量的电子 －空穴对。总之，在N型半导体中，不但有数量很多的 自由电子，而且也有少量的空穴存在，自由电子是多数 载流子，空穴是少数载流子。 必须指出，虽然N型半导体中有大量带负电的自由 电子，P型半导体中有大量带正电的空穴，但是由于带 有相反极性电荷的杂质离子的平衡作用，无论N型半导 体还是P型半导体，对外表现都是电中性的。 3．半导体的其他主要特性
有一定的误差，因此工程上通常是先采用近似计算 法对电路进行粗略的估算，然后通过实验调试来达 到预定的设计要求。 （4）实践性。电子技术是一门实践性很强的课程， 要多找机会做实验。这主要是因为影响电子电路工 作的因素往往非常复杂，难以用简单的模型加以全 面而精确的模拟。电子线路实验是学生的重要实践 性环节，对于培养和提高独立工作、解决实际问题 的能力起着十分重要的作用。通过实验的学习，不 仅能使学生具有进行科学实验的动手能力，而且还 能培养出一丝不苟、严谨求实的科学研究作风。
＋4
＋4
＋4
由于热激发而产 生的自由电子
＋4 ＋4 ＋4
＋4
＋4
＋4
自由电子移走后 留下的空穴
图6.3 热激发产生电子－空穴对
在产生电子－空穴对的同时，有的自由电子在杂 乱的热运动中又会不断地与空穴相遇，重新结合，使 电子－空穴对消失，这称为复合。在一定温度下载流 子的产生过程和复合过程是相对平衡的，载流子的浓 度是一定的。在常温下，本征半导体受热激发所产生 的自由电子和空穴数量很少，同时本征半导体的导电 能力远小于导体的导电能力，导电能力很差。温度越 高，所产生的电子－空穴对也越多，半导体的导电能 力也就越强。
原子结构示意图
• 价电子的数目越接近8个，物质的化学结构也 就越稳固。对于金属材料，其价电子一般较少， 因此金属中的价电子很容易变成自由电子，所 以金属是良导体；对于单质绝缘体，其价电子 数一般多于4个，因此绝缘体中的价电子均被 原子核牢牢地吸引着，很难形成自由电子，所 以不能导电；对于半导体来说，原子的价电子 数为4个，其原子的外层电子既不像金属那样 容易挣脱出来，也不像绝缘体那样被原子核紧 紧束缚住，因此半导体的导电性能就比较特殊， 具备可变性。 • 当硅或锗被制成单晶体时，其原子有序排列， 每个原子最外层的4个价电子不仅受自身原子
－
+ + + +
N区
N区
动画演示
空间电荷形成了一个由右侧指向左侧的内电场，如图6.6 （b）所示。内电场的这种方向，将对载流子的运动带来两种 影响：一是内电场阻碍两区多子的扩散运动；二是内电场在 电场力的作用下使P区和N区的少子产生与扩散方向相反的漂 移运动。 PN结形成的最初阶段，载流子的扩散运动占优势，随着 空间电荷区的建立，内电场逐渐增强，载流子的漂移运动也 在加强，最终漂移运动将与扩散运动达到动态平衡。 2. PN结的单向导电性 PN结上外加电压的方式通常称为偏置方式，如果在PN结 上加正向电压（也称正向偏置），即P区接电源正极，N区接 电源负极，这时电源产生的外电场与PN结的内电场方向相反， 内电场被削弱，使阻挡层变薄，多子的扩散运动大于漂移运动， 形成较大的扩散电流，即正向电流。这时PN结的正向电阻很 低，处于正向导通状态。正向导通时，外部电源不断向半导体 供给电荷，使电流得以维持。
6.1.3 PN结及其特性
1. PN结的形成
当P型半导体和N型半导体通过一定的工艺结合在一起时， 由于P型半导体的空穴浓度高，电子浓度低，而N型半导体的 自由电子浓度高，空穴浓度低，所以交界面附近两侧的载流 子形成了浓度差。浓度差将引起载流子的扩散运动，如图6.6 （a）所示。
P区
（a）
←
－
空间电荷区
第一代电子产品以电子管为核心。20世纪40年 代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、 轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起 来，在很大范围内取代了电子管；50年代末期，世 界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电 子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型 化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大 规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产 品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的 方向发展。 电子技术基础篇包括半导体基础知识，共射放 大电路、共集电极放大电路、功率放大器、差分放 大电路等基本放大电路、集成运放电路的线性和非 线性应用、稳压电源、集成门电路、组合逻辑电路
6.1.2 杂质半导体 本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征 半导体内载流子的浓度很低，所以导电能力很差。 在本征半导体中，人为有控制地掺入某种微量杂质， 即可大大改变它的导电性能。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。按照掺入杂质的不同，可获得N型和P型两种 掺杂半导体。 1．P型半导体 在本征半导体（硅或锗的晶体）中掺入三价元 素杂质，如硼、镓、铟等，因杂质原子的最外层只 有3个价电子，它与周围硅（锗）原子组成共价键 时，缺少一个电子，于是在晶体中便产生一个穴位。
因此外层的电子如果获得外来的能量，就 容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。我们 把最外层的电子叫做价电子。在电子器件中， 用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的原子 结构如图6.1所示。硅和锗都是四价元素，其原 子最外层轨道上都具有4个价电子。
+
+
Ge(锗原子) 图6.1
Si +4
Ge +4
硅原子和锗原子的简化模型图 Si(硅原子)
硼离子
＋4
＋3
←
＋4
可移动的空穴
由受主获得一个 电子而形成一个 负离子
－
－
电子－空穴对
＋4
＋4
＋4
（a）共价键结构
（b）电子－空穴对
图6.4 P型半导体的共价键结构
这样，掺入硼杂质的硅半导体中就具有数量相当的 空穴，空穴浓度远大于电子浓度，这种半导体主要靠空 穴导电，称为P型半导体。 掺入的三价杂质原子，因在硅晶体中接受电子，故 称受主杂质。受主杂质都变成了负离子，它们被固定在 晶格中不能移动，也不参与导电，如图6.4（b）所示。 此外，在P型半导体中由于热运动还产生少量的电子－ 空穴对。总之，在P型半导体中，不但有数量很多的空 穴，而且还有少量的自由电子存在，空穴是多数载流子， 电子是少数载流子。 2．N型半导体 在本征半导体中掺入五价元素杂质，如磷、锑、砷 等。掺入的磷原子取代了某处硅原子的位置，它同相邻 的4个硅原子组成共价键时，多出了一个电子，这个电
时序逻辑电路、模/数和数/模转换器等。 在学习本课程时，应注意以下几方面的特点： （1）规律性。电子电路是由电子器件和电阻、电容 等电路元件按照一定的规律组合而成的，各种复杂 的电子电路也都是由若干种基本电子电路组合而成， 因此学习时要求熟记一些基本电子电路的结构和特 性，主要器件特性，并掌握它们的组合规律。 （2）非线性。由于电子线路具有非线性特性，所以 必须采用非线性电路的分析方法来分析电子线路。 常用的有图解分析法和等效电路模型分析法等。 （3）工程性。对于电子线路的分析与设计，采用精 确的分析计算难度较大，往往不必要。因为电子器 件的特性和参数分散性较大，而电路元件的参数也
第6章 半导体器件基础 第7章 交流放大电路 第8章 集成运算放大器
第9章 直流稳压电源
• 电子电子技术是19世纪末、20世纪初开始发展起来 的新兴技术，是20世纪发展最迅速，应用最广泛的 技术之一，成为近代科学技术发展的一个重要标志。 进入21世纪，人们面临的是以微电子技术为基础的， 以（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特 网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生 产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国 防、科学、工业、医学、通信（信息处理、传输和 交流）及文化生活等各个领域中都发挥着巨大的作 用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩 电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电 脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、 航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在 电子世界中，一天也离不开它。
在外电场的作用下，一方面自由电子产生定向 移动，形成电子电流；另一方面价电子也按一定方 向依次填补空穴，即空穴流在键位上产生移动，形 成空穴电流。 由于电子和空穴所带电荷的极性相反，它们的 运动方向也是相反的，因此形成的电流方向是一致 的，流过外电路的电流等于两者之和。 综上所述，在半导体中不仅有自由电子一种载 流子，而且还有另一种载流子——空穴。这是半导 体导电的一个重要特性。在本征半导体内，自由电 子和空穴总是成对出现的，任何时候本征半导体中 的自由电子数和空穴数总是相等的。
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称 为半导体。自然界中不同的物质，由于其原子 结构不同，因而导电能力也各不相同。根据导 电能力的强弱，可以把物质分成导体、半导体 和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘 体之间，如硅、锗、砷化镓以及金属氧化物和 硫化物等都是半导体。
6.1.1 本征半导体
本征半导体是化学成分纯净、物理结构完 整的半导体。半导体在物理结构上有多晶体和 单晶体两种形态，制造半导体器件必须使用单 晶体，即整个一块半导体材料是由一个晶体组 成的。制造半导体器件的半导体材料纯度要求 很高，要达到99.9999%以上。 1.结构特点 自然界的一切物质都是由原子组成的，而 原子又是由一个带正电的原子核与若干个带负 电的电子所组成的。电子分层围绕原子核作不 停的旋转运动，其中内层的电子受原子核的吸 引力较大,外层电子受原子核的吸引力较 小， 外层电子的自由度较大，