《模拟电子技术(童诗白)》课件

第一章 常用半导体器件 §1.1 §1.2 半导体基础知识 半导体二极管

§1.3§1.4

双极型晶体管场效应管

§1.1 半导体基础知识学习目标： 1.熟悉P型、N型半导体的基本结构及特性 ；

2.掌握PN结的单向导电性 。学习重点： 1. P型、N型半导体的形成和电结构特点；

2. PN结的正向和反向导电特性 。2

§1.1

半导体基础知识

一、本征半导体 1、半导体 根据材料的导电能 力，可以将他们划分为 导体、绝缘体和半导体 。典型的半导体是硅Si 和锗Ge,它们都是四价 元素。

晶体结构是指晶体的周期 性结构。即晶体以其内部 原子、离子、分子在空间 作三维周期性的规则排列 为其最基本的结构特征

纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。

si

Ge Ge

硅原子+4 +4

锗原子

硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。章目录 上一页 下一页3

2、本征半导体的晶体结构+4+4 +4

共价键

+4 +4

+4 +4

+4 +4

(1)共价键：相邻两个原 束缚 子共用一对最外层电子(价 电子 电子)的组合称为共价键。自由 电子 (2)束缚电子：共价键中的 空穴

价电子受共价键的束缚。

(3)自由电子：共价键中的电子获得一定能量(热 能)后，挣脱共价键的束缚(本征激发),形成自由 电子。 (4)空穴：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后， 共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。章目录 上一页 下一页4

+4

+4

+4

自由电子运动方向与 空穴运动方向相反。

+4 +4

+4 +4

+4 +4

3、本征半导体中的两种载流子 载流子：能够自由移动的带电粒子。 自由电子 载流子 空穴5

4、本征半导体中载流子的浓度+4+4 +4

+4 +4

+4 +4

+4 +4

本征激发：半导体在受热 或光照下产生“电子空穴对” 的 现象称为本征激发。

复合：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称 为复合。 动态平衡：在一定温度下，本征激发产生的“电 子空穴对”,与复合的“电子空穴对”数目相等，达 到动态平衡。在一定温度下，载流子的浓度一定。章目录 上一页 下一页6

本征半导体载流子浓度为：

ni pi K1T e 其中： ni 和pi 分别是自由电子和空穴 的浓度( cm 3)T:热力学温度； k:玻耳兹曼常数(8.63×10-5eV/K); K1:与半导体材料载流子有效质量、有效能级密 度有关的常量。(Si:3.87×1016cm-3· K-3/2 , Ge: 1.76×1016cm-3· K-3/2 );

3 / 2 EGO /(2 kT )

EGO:热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称 禁带宽度 (Si:1.21eV,Ge:0.785eV);T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低， -3 导电能力差。Si:1.43×1010cm-3 Ge:2.38×1013cm 7章目录 上一页 下一页

二、杂质半导体 掺入微量杂质，可使

半导体导电性能大大增强。按 掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。 1、N型半导体 在本征半导体中掺入微量五价元素。自由电子 硅原子+4 +4 +4

多余电子

自由电子

+4

+5

+4

N型半导体 + + + + + + + + + + + +施主离子8

+4

+4

+4

磷原子

电子空穴对章目录

多数载流子---自由电子

少数载流子--空穴上一页

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2、P型半导体 在本征半导体中掺入微量三价元素。硅原子+4 +4 +4

空位

电子空穴对

空穴

P型半导体 - - - - - - - -- - - -

+4 +4

+3

+4

+4

+4

硼原子

空穴

受主离子

多数载流子--空穴

少数载流子—自由电子章目录 上一页 下一页9

1. 在杂质半导体中多子的数量与 a (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b(a. 掺杂浓度、b.温度)有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ,N 型半导体中的电流主要是 a 。

(a. 电子电流、b.空穴电流)

三、PN结 1、PN结的形成形成过程：P型和N型半导体结合 多子浓度差 扩散运动 内电场建立 阻碍扩散运动

P区- - - - - - - - -

空间电荷区- - - + + + + + + + + +

N区+ + +

耗尽层

空穴

内电场

自由电子

促使漂移运动动态平衡 形成空间电荷区 PN结形成章目录 上一页 下一页11

2、PN结的单向导电性

P区- - - - - - - - -

空间电 荷区- - - + + + 内电场 外电场 + + + + + +

N区+ + +

(1)PN结上加正向电压 ①外电场将载流 子推入空间电荷区， 抵消一部分空间电荷， 使空间电荷区变窄， 削弱内电场； ②扩散运动增强， 漂移运动减弱，平衡被 打破，扩散运动大于漂 移运动；

I

③在电源的作用下，扩散运动不断进行，形成正向电 流，PN结处于导通状态。 12章目录 上一页 下一页

(2)PN结上加反向电压 P区 ①外电场与内电场 - 方向一致，空间电荷区 - 变宽，内电场增强；-

空间电 荷区- - - - - - - - - + + + 内电场 外电场 + + + + + +

N区+ + +

②扩散运动减弱， 漂移运动增强，平衡被 打破，漂移运动大于扩 散运动；

IS

③漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电 流很小，PN结处于截止状态。章目录 上一页 下一页13

(3)PN结单向导电性 PN结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处 于导通状态； PN结加反向电压，结电阻很大，反向电 流很小，处于截止状态；3、PN结的电流方程

i I S (ekT q

qu kT

1)

其中：IS:反向饱和电流； q:电子电量； k:玻耳兹曼常数；T:热力学温度. 令： UT 则：

(常温下

,UT 26mV )u UT

i I S (e

1)

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4、PN结的伏安特性 (1)正向特性i

i I S (e

u UT

当u>>UT 时， i I S e (2)反向特性 a、 当 u UT时，i I Su

u UT

1)

U(BR) O

b、当反向电压超过一定数值 U(BR)后，反向电流急剧增加， 称之为反向击穿。

齐纳击穿: 较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强 电场，直接破坏共价键形成“电子空穴对”, 使得电流急剧增大； 雪崩击穿: 电子及空穴与晶体原子发生碰撞，使共价键 中电子激发形成自由电子空穴对。章目录 上一页 下一页15

5、PN结的电容效应