1低频电子电路第一章

T↑
+4 空穴 +4
+4
+4 自由电子
+4
+4
+4
+4
+4
图 本征半导体中的 自由电子和空穴
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
激发（本征激发） 激发（本征激发）
当 T 升高或光线照射时 这种现象称 激发； 激发；
+4 +4 +4 +4 +4
产生自由电子空穴对。 产生自由电子空穴对。 自由电子空穴对
杂质半导体总体上保持电中性。 杂质半导体总体上保持电中性。
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第1章
晶体二极管
■
杂质半导体中载流浓度计算
N 型半导体
nn0 pn0 = ni2 (质量作用定理) 质量作用定理)
电中性方程) nn0 = Nd + pn0 ≈ Nd(电中性方程)
P 型半导体
pp0np0 = n
2 i
pp0 = Na + np0 ≈ Na
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第1章
晶体二极管
■
P 型半导体 本征半导体中掺入少量三价元素硼（或铟）构成。 本征半导体中掺入少量三价元素硼（或铟）构成。 三价元素硼
简化模型： 简化模型：
+4 +4 +3 +4 +4 硼原子给出一个电 称为受主杂质 受主杂质。 子，称为受主杂质。
空穴
多子——空穴（靠杂质和激发） 空穴（靠杂质和激发） 多子 空穴 P 型半导体 少子——自由电子（靠少量激发产生） 自由电子（靠少量激发产生） 少子 自由电子
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■
综上所述，在杂质半导体中，因为参杂， 综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子 的数量比本征半导体有相当程度的增加， 的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的 含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大， 含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之 成为提高半导体导电性能最有效的方法。 成为提高半导体导电性能最有效的方法。 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系， 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
型半导体杂质浓度； 注： NdN型半导体杂质浓度； 杂质半导体呈电中性
Na
P型半导体杂质浓度
多子浓度主要取决于掺杂浓度。 多子浓度主要取决于掺杂浓度。 少子浓度取决于温度的激发。 少子浓度取决于温度的激发。
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
1.2
热平衡载流子浓度： 热平衡载流子浓度：
ni = AT e
导电能力
= pi
热敏特性 光敏特性
17
T
或光照
ni
■
总结
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带负电的自由电子 带正电的空穴 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， 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 空穴对。 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 本征半导体中自由电子 空穴的浓度 自由电子和 的浓度用 表示， 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 由于物质的运动， 不断的复合。在一定的温度下， 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。 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 载流子的浓度与温度密切相关， 基本按指数规律增加。 高，基本按指数规律增加。
在半导体整体平台中，电子运行轨道可以采用对应的电子能 在半导体整体平台中， 能级图和 量来表示，因此，有了物质的电子轨道的能级图 能带图。 量来表示，因此，有了物质的电子轨道的能级图和能带图。
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
结论： 结论：
电子在同一能带中不同能级间的运动变迁较为容易； 电子在同一能带中不同能级间的运动变迁较为容易； 跨能带的运动变迁必需通过能量的较大吸收或释放， 跨能带的运动变迁必需通过能量的较大吸收或释放，即 由此跨越禁带来实现。 由此跨越禁带来实现。 从价带到导带的电子轨道变迁，与前述的激发运动 从价带到导带的电子轨道变迁，与前述的激发运动 激发 对应；从导带到价带的电子轨道变迁，与前述的复合 复合运 对应；从导带到价带的电子轨道变迁，与前述的复合运 动对应。 动对应。 电子在导带内部的电子轨道变迁，与前述的电子运 电子在导带内部的电子轨道变迁，与前述的电子运 对应；电子在价带内部的电子轨道变迁，与前述的空 动对应；电子在价带内部的电子轨道变迁，与前述的空 穴运动对应 对应。 穴运动对应。
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第1章
晶体二极管
■
N型半导体： 型半导体：
本征半导体中掺入少量五价元素磷（或锑）构成。 本征半导体中掺入少量五价元素磷（或锑）构成。 五价元素磷 简化模型： 简化模型：
+4 +4 +5 +4 +4 磷原子给出一个电 称为施主杂质 施主杂质。 子，称为施主杂质。
自由电子
自由电子浓度远大于空穴的浓度， 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。电子 称为多数载流子(简称多子) 空穴称为少数载流子( 称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称 少子) 少子)。
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
第3层 多类型半导体材料的复杂组合 层 --------半导体的信号处理功能 半导体的信号处理功能 半导体的
7
■
1.1
单一类型半导体的导电性能
1. 导体：电阻率 ρ < 10−4 Ω · cm 的物质。如铜、 导体： 的物质。如铜、 铝等金属材料。 银、铝等金属材料。 2. 绝缘体：电阻率 ρ > 109 Ω· cm 物质。如橡胶、 绝缘体： 物质。如橡胶、 塑料等。 塑料等。 3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物 半导体： 大多数半导体器件所用的主要材料是硅( ) 质 。 大多数半导体器件所用的主要材料是硅 (Si) 和锗 (Ge)。 ) 半导体导电性能是由其原子结构决定的。 半导体导电性能是由其原子结构决定的。
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
半导体分类 无杂质的---本征半导体 无杂质的 本征半导体 杂质半导体（ 型半导体 型半导体、 型半导体 型半导体) 杂质半导体（P型半导体、N型半导体) 物资结构：原子按有序排列的晶体结构构成 物资结构： 导电原理分析方法：共价键方法， 导电原理分析方法：共价键方法，能带理论方法 原子间结构， （1）共价键方法 原子间结构，外层电子轨道位置 ）共价键方法----原子间结构 （2）能带理论方法 ）能带理论方法-----半导体内电子流动能力分析 半导体内电子流动能力分析
正极 P N 负极
P+ N P+
P
+
N
P
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
第2层 多类型半导体材料的不同简单组合 层 --------非线性导体性质 非线性导体性质 非线性
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
三层次的半导体元器件
第3层 多类型半导体材料的复杂组合 层 --------半导体的信号处理功能 半导体的信号处理功能 半导体的
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
1
硅和锗晶体的共键分析法
1.1.1 本征半导体的伏安特性
硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型： ) )原子结构及简化模型：
惯性核
+14 2 8 4
+32 2 8 18 4
+4
价电子
10
第 1 章 半导体基础元件与非线性电路
■
本征半导体
完全纯净的、 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。 体称为本征半导体。 将硅或锗材 料提纯便形成单 晶体， 晶体 ， 它的原子 结构为共价键结 构。
普通高等教育“十一五” 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
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21世纪高等院校信息与通信工程规划教材 世纪高等院校信息与通信工程规划教材
《低频电子电路》 低频电子电路》
----------人民邮电出版社 人民邮电出版社
1
《低频电子电路》 低频电子电路》
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第一章 半导体基础元件 与非线性电路
1.1 1.2 1.3 1.4 单一类型半导体的导电性能 半导体二极管的导电性能 半导体非线性电路的分析基础 半导体非线性电路的近似分析 与电路系统设计的关系
反之，称为复合。 反之，称为复合。 复合
结论：空穴：价电子层的电子空位；自由电子： 结论：空穴：价电子层的电子空位；自由电子：远离价 电子层的电子（受原子核作用小）。 电子层的电子（受原子核作用小）。
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
■
空穴的运动
当原子中的价电子层失去电子时， 当原子中的价电子层失去电子时，原子的惯性核带 正电， 带正电。 正电，可将其视为空位或空穴带正电。 通常，将原子间价电子轨道层面的电子运动称为空 通常，将原子间价电子轨道层面的电子运动称为空 穴运动。 穴运动。
注意：空穴运动方向与价电子运动的方向相反。 注意：空穴运动方向与价电子运动的方向相反。 通常，将自由电子轨道层面的电子运动称为自由电 通常，将自由电子轨道层面的电子运动称为自由电 子的运动，简称为电子运动 电子运动。 子的运动，简称为电子运动。
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第1章
半导体基础元件与非线性电路
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