模拟电路课件第一章
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模拟电子技术基础(第4版)ppt课件
多子浓度高
多子浓度很 低，且很薄
面积大
晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
华成英 hchya@
二、晶体管的放大原理
（发射结正偏） uBE U on 放大的条件 （集电结反偏） uCB 0，即 uCE uBE
少数载流 子的运动 因集电区面积大，在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区 因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区 基区空穴 的扩散
华成英 hchya@
§1.3
晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响
五、主要参数
华成英 hchya@
一、晶体管的结构和符号
为什么有孔？
小功率管
中功率管
大功率管
华成英 hchya@
2、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
指数曲线
若正向电压 UT，则i ISe u
u UT
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
华成英 hchya@
华成英 hchya@
电路与模拟电子技术技术基础_图文
线性：VCR曲线为通过原点的直线。 否则，为非线性。
非时变(时不变)： VCR曲线不随时间改变而 改变。 否则，为时变。 即： VCR曲线随时间改变而改变。
电阻元件有以下四种类型：
u-i特性 时不变 时变
线性 u
i u t1 t2
i
非线性 u i
u t1 t2 i
电阻实物
精密型金属膜电阻器
金属氧化皮膜电阻器
直流电流——大小、方向恒定， 用大写字母 I 表示。
参考方向--人为假设，可任意设定，但 一经设定，便不再改变。
参考方向的两种表示方法：
1 在图上标箭头； i
2 用双下标表示
a
b
在参考方向下，若计算值为正，表明
电流真实方向与参考方向一致；若计
算值为负，表明电流真实方向与参考
方向相反。
1.2.2 电压和电压的参考方向
信号处理 (中间环节)
接受转换信 号的设备
(负载)
1.2 电 路 变 量
1.2.1 电流和电流的参考方向
电流方向—正电荷运动的方向
电流参考方向—任选一方向为电流正方向。
如：
a
I
ba
I
b
正值
负值
严格定义：电荷在导体中的定向移动形 成电流。电流强度，简称电流i(t)，大 小为：
单位：A ， 1安 = 1 库 / 秒
当
(R=0)时，相当于导线,“短路”
注意：u与 i 非关联时 ，欧姆定理应改写为
例 分别求下图中的电压U或电流I。
3A 2 +U 解：关联
I2 + -6V -
非关联
瞬时功率：
电阻是耗能元件，
是无源元件。
模拟电路基础ppt课件可编辑全文
*
1.4.3 三极管的工作状态
1. 放大状态 在上面一部分中分析了三极管的放大原理。为了使三极管有放大能力，在输入回路加基极直流电源VBB，在输出回路加集电极直流电源VCC，且VCC大于VBB，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。此时称三极管处于放大状态，条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。 2. 饱和状态 如果输出回路的集电极直流电源VCC小于输入回路的基极直流电源VBB，则发射结和集电结都是正向偏置。由于发射结和集电结都是正向偏置，在开始发射结和集电结上的势垒都变窄，使发射区和集电区的自由电子同时涌入基区，但是由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，涌入到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，形成基极电流IB，绝大部分扩散到基区的电子堆积在发射结和集电结附近，使发射结和集电结上的势垒加宽，阻止了发射区和集电区的自由电子进一步扩散到基区，由此可见，此时三极管没有放大能力。 此种状态称三极管处于饱和状态，条件是发射结和集电结都是正向偏置。 3. 截止状态 如果在输入回路的基极直流电源VBB小于发射结的开启电压，则发射结处于零偏置或反偏置。由于外加电压没有达到发射结的开启电压，使发射区的自由电子不能越过发射结达到基区，不能形成电流，从而发射极、集电极和基极的电流都很小，也就谈不上放大了。此时称三极管处于截止状态，条件是发射结零偏置或反偏置、集电结反向偏置。
*
1.3.3 二极管的等效电阻
直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9所示，在二极管的两端加直流电压UQ、产生直流电流IQ，此时直流等效电阻RD定义为 交流等效电阻表示，在二极管直流工作点确定后，交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点Q一定，在二极管加有交流电压u，产生交流电流i，交流等效电阻r定义为
*
例1-1 图10(a)是由理想二极管D组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压U为0、反向击穿电压U为，设电路的输入电压u如图10(b)所示，试画出输出uo的波形 解：由二极管的单向导电特性，输入信号正半周时二极管导通，负半周截止，故输出uo的波形如右图所示。
1.4.3 三极管的工作状态
1. 放大状态 在上面一部分中分析了三极管的放大原理。为了使三极管有放大能力，在输入回路加基极直流电源VBB，在输出回路加集电极直流电源VCC，且VCC大于VBB，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。此时称三极管处于放大状态，条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。 2. 饱和状态 如果输出回路的集电极直流电源VCC小于输入回路的基极直流电源VBB，则发射结和集电结都是正向偏置。由于发射结和集电结都是正向偏置，在开始发射结和集电结上的势垒都变窄，使发射区和集电区的自由电子同时涌入基区，但是由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，涌入到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，形成基极电流IB，绝大部分扩散到基区的电子堆积在发射结和集电结附近，使发射结和集电结上的势垒加宽，阻止了发射区和集电区的自由电子进一步扩散到基区，由此可见，此时三极管没有放大能力。 此种状态称三极管处于饱和状态，条件是发射结和集电结都是正向偏置。 3. 截止状态 如果在输入回路的基极直流电源VBB小于发射结的开启电压，则发射结处于零偏置或反偏置。由于外加电压没有达到发射结的开启电压，使发射区的自由电子不能越过发射结达到基区，不能形成电流，从而发射极、集电极和基极的电流都很小，也就谈不上放大了。此时称三极管处于截止状态，条件是发射结零偏置或反偏置、集电结反向偏置。
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1.3.3 二极管的等效电阻
直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9所示，在二极管的两端加直流电压UQ、产生直流电流IQ，此时直流等效电阻RD定义为 交流等效电阻表示，在二极管直流工作点确定后，交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点Q一定，在二极管加有交流电压u，产生交流电流i，交流等效电阻r定义为
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例1-1 图10(a)是由理想二极管D组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压U为0、反向击穿电压U为，设电路的输入电压u如图10(b)所示，试画出输出uo的波形 解：由二极管的单向导电特性，输入信号正半周时二极管导通，负半周截止，故输出uo的波形如右图所示。
模拟电路课件第一章
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
(b) P 型半导体
图
杂质半导体的的简化表示法
1.1.3 PN结
模拟电子技术
成都大学 电子信息工程学院 李红连
绪 论
绪
1. 信号
论（信号与系统）
信号是反映信息的物理量。
非电物理量可以通过各种传感器比较容易地转换成电信号， 而电信号又容易传送和控制，所以成为应用最为广泛的信 号。 电信号是指随时间变化的电压与电流，可以表示成时间的 函数。 2.信号的分类 随机性：随机信号 、确定信号 周期性：周期信号、非周期信号 取值：离散时间信号、连续时间信号
第一片集成电路只有4集成度按10倍/6年的速
度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。 量子电子学的兴起（量子电子器件、量子计算机、量 子信息处理、量子通信系统）
第一章 半导体器件
绪
1. 本课程的性质
是一门技术基础课
论（课程介绍）
2. 特点
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。
第一章 半导体器件
一、导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管
–10 0 0.2 0.4
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
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I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
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1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
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半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
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+4
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+4
模电课件第一章
+ Vi –
放大电路
+ Vo –
RL
AV AV ( ) ( )
Vo ( j ) AV ( ) V ( j )
i
Av为什么是 f 的函数？
原因：放大电路存在电抗
称为幅频响应 元件，如电容、电感。
称为相频响应
( ) o ( ) i ( )
1.5 放大电路的主要性能指标
九、联系方式
•姓名：张华
•单位：电子信息教研室 408
•Email: 8755166@
课程介绍 部分结束
进入绪论部分学习
1.1 信号 1.2 信号的频谱
1.3 模拟信号与数字信号 1.4 放大电路模型
1.5 放大电路的主要性能指标
1.1 信号
1. 信号： 信息的载体
T/℃ 2 200.5 2 200.0 2 199.5
在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的 稳态响应，称为放大电路的频率响应。 电压增益可表示为
Vo ( j ) AV ( j ) V ( j )
i
Ii
Io
+ Vs –
Rs
Vo ( j ) [ o ( ) i ( )] Vi ( j )
或写为 其中
课程介绍
一、课程名称及教材 模拟电子技术基础
二、课程的性质
工程性、 实践性强 是一门技术基础课
三、课程的特点
1）规律性 基本电子电路的组成具有规律性
2）非线性 3）工程性
4）实践性
半导体器件具有非线性 即近似性。抓主要矛盾
实验和设计－实验课
四、课程研究内容
器件 二极管(chap3)
三极管(chap4)
模电第一章课件
பைடு நூலகம்
图1.6 PN结的形成过程
空间电荷区：在交界面附近出现的带电离子集中 的薄层，又称耗尽层、阻挡层。
内电场：空间电荷区的左半部是带负电的杂质离 子，右半部是带正电的杂质离子，空间电荷区中 就形成一个N区指向P区的内建电场。
接触电位差 U ：达到动态平衡后的PN结， 内建电场的方向由N区指向P区的电位差。
1.1 半导体的基础知识 1.2 PN结与半导体二极管 1.3 特殊二极管
1.4 半导体三极管
1.5 场效应晶体管
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 导体、绝缘体、和半导体 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体
1.1.1 导体、绝缘体和半导体
导体:导电的物质，如铜、铝、铁、银等。 绝缘体:不导电的物质，石英、橡胶等。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之 间。常用的半导体材料有硅(Si)、锗 (Ge)、砷化镓(GaAs)等。
4．最大反向工作电压UFM：二极管安全运行时所能承受的最大反向电压。一 般取击穿电压U(BR)的一半作为UFM 。
5．反向电流：指二极管未击穿时反向电流。IR 值越小，二极管单向导电性越 好。随温度变化而改变。 6. 最高工作频率fM ：fM 由PN结的结电容大小决定。二极管的工作频率超过 fM，单向导电性变差。
1.2.3
PN结的电容效应
PN结的结电容:在外加电压发生变化时，PN结耗尽层内的空间电 荷量和耗尽层外的载流子数目均发生变化的电容效应。 按产生的机理不同结电容可分为：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
一、势垒电容CB
指阻挡层中电荷量随外加电压变化而改变所呈 现的电容效应,用CB表示。CB的大小与PN结面积、 阻挡层宽度、半导体材料的介电常数有关， 且随外加反向电压变化而 变化。反向电压越大，CB 越小。 利用PN结的势垒电容 效应，可制造变容二极 管(压控可变电容器)
图1.6 PN结的形成过程
空间电荷区：在交界面附近出现的带电离子集中 的薄层，又称耗尽层、阻挡层。
内电场：空间电荷区的左半部是带负电的杂质离 子，右半部是带正电的杂质离子，空间电荷区中 就形成一个N区指向P区的内建电场。
接触电位差 U ：达到动态平衡后的PN结， 内建电场的方向由N区指向P区的电位差。
1.1 半导体的基础知识 1.2 PN结与半导体二极管 1.3 特殊二极管
1.4 半导体三极管
1.5 场效应晶体管
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 导体、绝缘体、和半导体 1.1.2 本征半导体 1.1.3 杂质半导体
1.1.1 导体、绝缘体和半导体
导体:导电的物质，如铜、铝、铁、银等。 绝缘体:不导电的物质，石英、橡胶等。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之 间。常用的半导体材料有硅(Si)、锗 (Ge)、砷化镓(GaAs)等。
4．最大反向工作电压UFM：二极管安全运行时所能承受的最大反向电压。一 般取击穿电压U(BR)的一半作为UFM 。
5．反向电流：指二极管未击穿时反向电流。IR 值越小，二极管单向导电性越 好。随温度变化而改变。 6. 最高工作频率fM ：fM 由PN结的结电容大小决定。二极管的工作频率超过 fM，单向导电性变差。
1.2.3
PN结的电容效应
PN结的结电容:在外加电压发生变化时，PN结耗尽层内的空间电 荷量和耗尽层外的载流子数目均发生变化的电容效应。 按产生的机理不同结电容可分为：
一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
一、势垒电容CB
指阻挡层中电荷量随外加电压变化而改变所呈 现的电容效应,用CB表示。CB的大小与PN结面积、 阻挡层宽度、半导体材料的介电常数有关， 且随外加反向电压变化而 变化。反向电压越大，CB 越小。 利用PN结的势垒电容 效应，可制造变容二极 管(压控可变电容器)
模拟电路基础教程PPT完整全套教学课件全
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透彻掌握器 件特性
1
重视对电路 构成原理的
学习
2
理论与实践 的关系
3
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目前国内使用较多的电路设计仿真软件有PSPICE、Proteus和Multisim 等。就模拟电路仿真来说,Multisim 以其界面友好、功能强大、易于学习 的优点而受到高校电类专业师生和工程技术人员的青睐。Multisim13.0版 本已上市,但目前使用比较稳定、用户数较多的还是10.0版本。对于使用 者来说,只要有一台计算机和Multisim 软件,就相当于拥有了一间设备齐全 的电路实验室,可以调用元器件,搭建电路,利用虚拟仪器进行测量,对电路 进行仿真测试,可以实时修改各类电路参数,实时仿真,从而帮助使用者了解 各种电路变化对电路性能的影响,对电路的测量直观、智能,是进行电路分 析和设计的有效辅助工具。使用者在学习和解题的过程中,可以通过 Multisim 对电路中某个节点的电压波形、某条支路的电流波形、电路结构 变化产生的影响等方方面面问题快速仿真而得到答案。
模拟电路基础教程PPT课件
1.1.4 一般电子系统的构成 1.电子系统的分类
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模拟电子 系统
数字电子 系统
模拟电路基础教程PPT课件
2.电子系统的构成
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模拟电路基础教程PPT课件
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1.1.5 模拟电子技术的发展
在式(1-1-1)中,K 为常数,使u(t)和T(t)之间形成如图1-1-1所示的相 似形关系。如果K 不能保持为常数,则称模拟信号发生了失真。失真问 题是模拟电路中始终需要引起注意和克服的重要问题。
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32
1-2 PN结
PN结是半导体器件的核心，可以构成一 个二极管。
P
N
本征硅的一边做成P型半导体，一边做成 N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物 理层。——PN结
33
1.2.1 PN结的形成
P 空间电荷区 N
++ +++ ++ +++ ++ +++
内电场 UB
由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子
两种信号
模拟信号 （Analog signal）:指幅度的取值
是连续的（幅值可由无限个数值表示）。声音、温度、 压力转化的电信号。时间上离散的模拟信号是一种抽 样信号。
数字信号 （Digital signal）：指幅度的取值
是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。如计 算机处理的二进制信号等。
空 穴 数 = 自由电子数 + 受主负离子
26
三、杂质半导体的载流子浓度
多子的浓度 在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数 远大于本征激发的载流子数。 结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。
少子的浓度 少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会 随多子浓度的变化而变化。
27
结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值 的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。
31
思考题与习题
导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以 及集成电路制造中的作用？
说明半导体材料的特性及其应用 解释本征半导体、杂质半导体的区别？ 解释N型半导体与P型半导体的区别？ 为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？ 解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何
种因素决定的？
本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3 （4.4×1022㎝-3）。
室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之 19 一)受激发产生电子、空穴对。导电能力很弱。
1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体）
在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂 质），会使其导电性能发生显著变化。—— ——杂质半导体。
根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为 N型半导体和P型半导体。
涉及的基础知识广博：
高等数学、电路分析、信号与系统等，有人戏 称“魔鬼电路、模糊电路”之称。
注重动手能力：
培养硬件工程师，是一门经验性较强的学科， 精通模电的人才奇缺。
一门“工程应用性”课程：
有人说：“近似估算是电子电路的灵魂”、
“不会近似寸步难行”足以说明这个问题。
3
学习“过三关”
第一关：“器件关”（入门基础） 第二关：“近似关”（工程估算的分析方法） 第三关：“动手关”（实践应用）
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。
43
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。 结论：PN结具有单向导电性。
形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域
称为空间电荷区（耗尽层）。
34
PN 结的形成步骤
扩散运动
离子电荷区形成
扩散运动
漂移运动
（一定宽度） 空间电荷区
PN结又称为势垒区、阻挡层。
PN结很窄（几个到几十个 m)。
内电场建立 动态平衡
PN结
35
问题：达到动态平衡时，在 PN结流过的总电流为 多少，方向是什么？
硅原子（Silicon） 锗原子（Germanium）
284
+s1i4
2 8 18 4
GG+3e2e
惯性核 电子
+4
硅原子
锗原子
图1.1.1 常见半导体材料的原子结构和简化模型 10
+4
价
电
子
+4
+4
共 价 键
+4
图1.1.2 单晶硅和锗共价键结构示意图
本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本 征半导体。
24
二、P型半导体（Positive type）
+4
束缚电子
+4
空 位
+4
+3
在P型半导体中：
三价原子 受主原子
空穴——多数载流子，简称多子；
自由电子——少数载流子，简称少子。 25
二、P型半导体（Positive type）
+4
束缚电子
+4
空 位
+4
+3
三价原子 受主原子
P型半导体是电中性的。
征
激
发
产
生 电
+4
+4
子
和
空
穴
复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价
电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，
这一过程称为复合。
16
本征激发:一分为二，载流子浓度增加。 复合: 合二为一，载流子浓度减少。 载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越 多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电 子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状 态，使本征半导体中载流子的浓度一定。
A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝
-3· K，32 锗为1.76×1016㎝-3· K）32。
18
本征载流子浓度：
ni
pi
A T e 3/ 2 EG 0 / 2kT 0
1、对温度非常敏感：随着T的增加，载流子浓度按 指数规律增加。
2、导电能力如何？
在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子 浓度=1.43×1010㎝-3（2.38×1013㎝-3），
41
二、 PＮ结加反向电压
P
耗尽区
+
+
+
-
U
动画演示
N
++++ ++++ ++++
内电场
+
UB +U
E 图1-10 反向偏置的PN结 R
42
PN结加反向电压
外加的反向电压大部分降落在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作用下形成的漂 移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。
2、掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3、本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 30
小结
1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体 内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一 种载流子少。
2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度 几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有 关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。
发
空
子
产 生
穴
电 子
+4
+4
和
空
穴
在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得
一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的
束缚变成自由电子——本征激发。
13
1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。
2、一个空穴的运动实际上是许多价电子作相反运动的结
果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的
17
本征载流子浓度：
ni
pi
A T e 3/ 2 EG 0 / 2kT 0
式中：
ni、pi ——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）； T——为热力学温度（K）；
EG0为T= 0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为 1.21eV，锗为0.78eV）；
k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）；
[4] 谢嘉奎. 电子线路[M]（非线性部分）(第四
版）.北京：高等教育出版社,1999（2004年印
刷）.
8
第一章 晶体二极管及其基本电路
1-1 半导体物理基础知识
导体 物质 半导体
绝缘体
半导体的特性：
1．导电能力介于导体和绝缘体之间；
2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而
发生显著变化。
9
１-１-１ 本征半导体 一 本征半导体硅和锗的共价键结构
电场作用下的漂移电流 两种类型的电流
浓度差导致的扩散电流
37
对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同， 则耗尽区相对界面对称，称为对称结
不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺 杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），这样 形成的PN结称为不对称结
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
38
此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，
问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？
答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的 排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离 子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所 以会伸向轻掺杂区。
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
39
(a)
(b)
1.2.2 PN结的单向导电特性
P
耗尽区
动画演示 N
++ +++ ++ +++ + + +++
1-2 PN结
PN结是半导体器件的核心，可以构成一 个二极管。
P
N
本征硅的一边做成P型半导体，一边做成 N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物 理层。——PN结
33
1.2.1 PN结的形成
P 空间电荷区 N
++ +++ ++ +++ ++ +++
内电场 UB
由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子
两种信号
模拟信号 （Analog signal）:指幅度的取值
是连续的（幅值可由无限个数值表示）。声音、温度、 压力转化的电信号。时间上离散的模拟信号是一种抽 样信号。
数字信号 （Digital signal）：指幅度的取值
是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。如计 算机处理的二进制信号等。
空 穴 数 = 自由电子数 + 受主负离子
26
三、杂质半导体的载流子浓度
多子的浓度 在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数 远大于本征激发的载流子数。 结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。
少子的浓度 少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会 随多子浓度的变化而变化。
27
结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值 的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。
31
思考题与习题
导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以 及集成电路制造中的作用？
说明半导体材料的特性及其应用 解释本征半导体、杂质半导体的区别？ 解释N型半导体与P型半导体的区别？ 为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？ 解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何
种因素决定的？
本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3 （4.4×1022㎝-3）。
室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之 19 一)受激发产生电子、空穴对。导电能力很弱。
1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体）
在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂 质），会使其导电性能发生显著变化。—— ——杂质半导体。
根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为 N型半导体和P型半导体。
涉及的基础知识广博：
高等数学、电路分析、信号与系统等，有人戏 称“魔鬼电路、模糊电路”之称。
注重动手能力：
培养硬件工程师，是一门经验性较强的学科， 精通模电的人才奇缺。
一门“工程应用性”课程：
有人说：“近似估算是电子电路的灵魂”、
“不会近似寸步难行”足以说明这个问题。
3
学习“过三关”
第一关：“器件关”（入门基础） 第二关：“近似关”（工程估算的分析方法） 第三关：“动手关”（实践应用）
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。
43
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。 结论：PN结具有单向导电性。
形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域
称为空间电荷区（耗尽层）。
34
PN 结的形成步骤
扩散运动
离子电荷区形成
扩散运动
漂移运动
（一定宽度） 空间电荷区
PN结又称为势垒区、阻挡层。
PN结很窄（几个到几十个 m)。
内电场建立 动态平衡
PN结
35
问题：达到动态平衡时，在 PN结流过的总电流为 多少，方向是什么？
硅原子（Silicon） 锗原子（Germanium）
284
+s1i4
2 8 18 4
GG+3e2e
惯性核 电子
+4
硅原子
锗原子
图1.1.1 常见半导体材料的原子结构和简化模型 10
+4
价
电
子
+4
+4
共 价 键
+4
图1.1.2 单晶硅和锗共价键结构示意图
本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本 征半导体。
24
二、P型半导体（Positive type）
+4
束缚电子
+4
空 位
+4
+3
在P型半导体中：
三价原子 受主原子
空穴——多数载流子，简称多子；
自由电子——少数载流子，简称少子。 25
二、P型半导体（Positive type）
+4
束缚电子
+4
空 位
+4
+3
三价原子 受主原子
P型半导体是电中性的。
征
激
发
产
生 电
+4
+4
子
和
空
穴
复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价
电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，
这一过程称为复合。
16
本征激发:一分为二，载流子浓度增加。 复合: 合二为一，载流子浓度减少。 载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越 多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电 子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状 态，使本征半导体中载流子的浓度一定。
A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝
-3· K，32 锗为1.76×1016㎝-3· K）32。
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本征载流子浓度：
ni
pi
A T e 3/ 2 EG 0 / 2kT 0
1、对温度非常敏感：随着T的增加，载流子浓度按 指数规律增加。
2、导电能力如何？
在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子 浓度=1.43×1010㎝-3（2.38×1013㎝-3），
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二、 PＮ结加反向电压
P
耗尽区
+
+
+
-
U
动画演示
N
++++ ++++ ++++
内电场
+
UB +U
E 图1-10 反向偏置的PN结 R
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PN结加反向电压
外加的反向电压大部分降落在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作用下形成的漂 移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。
2、掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3、本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 30
小结
1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体 内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一 种载流子少。
2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度 几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有 关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。
发
空
子
产 生
穴
电 子
+4
+4
和
空
穴
在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得
一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的
束缚变成自由电子——本征激发。
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1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。
2、一个空穴的运动实际上是许多价电子作相反运动的结
果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的
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本征载流子浓度：
ni
pi
A T e 3/ 2 EG 0 / 2kT 0
式中：
ni、pi ——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）； T——为热力学温度（K）；
EG0为T= 0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为 1.21eV，锗为0.78eV）；
k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）；
[4] 谢嘉奎. 电子线路[M]（非线性部分）(第四
版）.北京：高等教育出版社,1999（2004年印
刷）.
8
第一章 晶体二极管及其基本电路
1-1 半导体物理基础知识
导体 物质 半导体
绝缘体
半导体的特性：
1．导电能力介于导体和绝缘体之间；
2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而
发生显著变化。
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１-１-１ 本征半导体 一 本征半导体硅和锗的共价键结构
电场作用下的漂移电流 两种类型的电流
浓度差导致的扩散电流
37
对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同， 则耗尽区相对界面对称，称为对称结
不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺 杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），这样 形成的PN结称为不对称结
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
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此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，
问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？
答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的 排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离 子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所 以会伸向轻掺杂区。
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
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(a)
(b)
1.2.2 PN结的单向导电特性
P
耗尽区
动画演示 N
++ +++ ++ +++ + + +++