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《模拟电子技术》第1讲

第一章常用半导体器件

【教学目标和要求】

1.了解半导体基础知识。

2.熟悉半导体二极管三极管及场效应管的结构及工作原理。

【重点与难点】

1.PN结的形成及PN结的特性

2.二极管三极管及场效应管的主要参数

【本章课时安排】6

【教学内容组织】

本讲主要介绍半导体基础知识：

本征半导体、N（P）型半导体和二极管的的结构工作原理、主要参数等。

第一章常用半导体器件

1.1半导体基础知识

1.1.1本征半导体

一．半导体

1.导体:

低价元素，他们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。

2.绝缘体:

高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），他们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性很差，成为绝缘体。

3.半导体:

常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，他们的最外层电子即不像导体那么容易易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因此其导电性介于两者之间。

二．本征半导体的晶体结构

本征半导体：

纯净的且原子排列有序晶体结构的半导体。

晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，成为晶格。

由于相邻的两个的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合成为共价键结构，如图1.1.1所示。

图中标有“+4”的圆圈表示除价电子外的正离子。

图1.1.1本征半导体的晶体结构

三．本征半导体中的两种载流子

1.自由电子

晶体中的共价键具有很强的结合力，因此，在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变为自由电子。

2.空穴

与此同时，在共价键中流下一个空位置，成为空穴。

原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。

在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等，如图1.1.2所示。

这样，若在本征半导体两端外加一电场，则一方面自由电子将产生定向移动，形成电子电流；另一方面由于空穴的

存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，也就是说空穴也产生定向移动，形成空穴电流。

由于自由电子和空穴所带电荷极性不同，所以他们的运动方向相反，本征半导体中的电流是两个电流之和。

本征半导体中有两种载流子，既自由电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质

四．本征半导体载流子的浓度

1．复合：

半导体在热激发产生自由电子和空穴的现象成为本征激发。

自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象成为复合。

2．环境温度影响载流子的浓度

在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子和空穴对数目相等，故达到动态平衡。

换言之，在一定的温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子和空穴的浓度相同。

当环境温度升高时，热运动加剧，挣拖共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多，既载流子的浓度升高，因而必然使的导电性能增强；反之，当环境温度降低时，则载流子的浓度降低，因而必然使的导电性能变差；可见，本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。

理论分析表明，本征半导体载流子的浓度为

式中，

分别表示自由电子与空穴的浓度（

），T为热力学温度，k为玻耳滋蔓常数（

），为热力学零度时的共价键所需的能量，又称禁带宽度（硅为，锗为）。

式（1.1.1）表明，当T=0K时，自由电子和空穴的浓度均为0，本征半导体为绝缘体；在一定范围里，当温度升高时，本征半导体载流子的浓度近视按指数曲线升高。

在常温下，即T=300K时，硅材料的本征半导体载流子的浓度

本征半导体载流子的浓度

应当指出，本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。

半导体材料性能对温度的这种敏感性，即可以用来制作热敏和光敏元件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。

1.1.2杂质半导体

通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可以得到杂质半导体。

按掺入的杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。

一.N型半导体

N型半导体：

在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成N型半导体。

多子为自由电子，少子为空穴（与温度有关）。

由于杂质原子的最外层五个价电子，所以除了与周围硅原子形成共价键外，还多出来一个电子，如图1.1.3所示。

多出的电子不书共价键的束缚，只须获得很少的能量，就成为自由电子。

在常温下，由于热激发，就可使他们成为自由电子。

而杂质原子因在晶格上，且又缺少电子，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子，简称前者为多子，后者为少子。

由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。

N型半导体主要靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。

二．P型半导体，

P型半导体：

在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。

多子为空穴，少子为自由电子（与温度有关）。

由于杂质原子的最外层三个价电子，所以当他们与周围的硅原子形成共价键外，就产生一个“空位”，当硅原子外层电子由于热运动填补空位时，杂质原子成为不可移动的负离子，同时，在硅原子的共价键中产生一个空穴，如图1.1.4。

因而P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子主要靠空穴导电。

与N型半导体不同，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。

因杂质原子中的空位吸收电子，故城之为受主原子。

从以上分析可知，由于掺入的杂质使多子的数目大大增加，从而使多子与少子复合的机会增多。

因此，对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。

可以认为，多子的浓度等于所掺入杂质的浓度，因而它受环境的影响很小；而少子是本征激发所形成的，所以尽管其浓度很低，却对温度非常敏感，这将影响半导体器件的性能。

1．1．3PN结

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面上就形成PN结。

PN结具有单向导电性。

一、PN结的形成

物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散。

P区标有负号的小圆圈表示除空穴的负离子（即受主原子），N区标有正号的小圆圈表示除自由电子（即施主原子）。

由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，他们是不能移动的，称为空间电荷区，从而形成电场。

随着扩散运动的形成，空间电荷区加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，正好阻止扩散运动的进行。

在电场力的作用下，载流子的运动称为漂移运动。

当空间电荷区形成以后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动。

在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。

此时，空间电荷区具有一定的宽度，电位差为

，电流为零。

空间电荷区内，正、负电荷的电量相等，因此，当P区与N区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区的浓度也相等，称为对称结；而当两边杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结；两种结的外部特性是相同的。

绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，故称空间电荷区为耗尽曾。

二、PN结的单向导电性

如果在PN结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。

此时，扩散电流不再等于漂移电流，因而PN结将有电流流过。

当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同导电性能，即呈现出单向导电性。

1．PN结外加正向电压时处于导通状态

当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的P端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN结的N端时，称为PN结外加正向电压，也称为正向接法或正向偏置。

此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，消弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，而漂移运动减弱。

由于电源的作用，扩散运动源源不断的进行，从而形成正向电流，PN结导通。

PN结导通时的结压降上只有零点几伏，因而都应在它的回路中串联一个电阻，以限制回路电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

2．PN结外加反向电压时处于截止状态

当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的N端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN结的P端时，称PN结外加反向电压，也称为反向接法或反向偏置。

此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也称为漂移电流。

因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中

常将它忽略不计，认为PN结外加反向电压时处于截止状态。

三、PN结的电流方程

由理论分析可知，PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为

（1.1.2）

式中，

为反向饱和电流，q为电子的电量，k为玻耳茲曼常数，T为热力学温度。

将式

（1.1.2）中的kT/q用U

取代，则得

（1..1.3）

常温下，即T＝300K时，

≈26mV。

四．PN结的伏安特性

由式（1.1.3）可知，当PN结外加正向电压，且

时，

，即i随u按指数规律变化；当PN结外加反向电压，且

时，

。

其中u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。

反向击穿

:

当反向电压超过一定数值

后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。

齐纳击穿：

在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键的束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。

可见齐纳击穿电压较底，耗尽层宽度较宽，那么底反向电压下不会产生齐纳击穿

雪崩击穿：

当反向电压增加到较大数值时耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与工价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子-空穴对，新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其他价电子，载流子雪崩式的倍增，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。

无论那种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏。

五，PN结的电容效应

在一定条件，PN结具有电容效应，根据产生原因不同分为势垒电容和扩散电容。

1.势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，既耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充，放电过程相同，如图1.1.11（a），耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。

具有非线形，它的结面积，耗尽层宽度，半导体的介电常数及外加电压有关。

对于一个制作好的PN结，与外电压u的关系如图（b）。

当PN结加反向电压时，明显随的变化而变化，因此利用这一特性制成各种变容二极管。

2.扩散电容

PN结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子。

PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。

当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，而远离交界面的地方浓度底，且浓度自高到底逐渐衰减，直到零，形成一定的浓度剃度（即浓度差），从而形成扩散电流。

当外加正向电压时，非平衡少子的浓度增加且浓度剃度也增大，从外部看正向电流（即扩散电流）增大。

当外加正向电压减少时，与上述变化相反。

图1.1.12所示的三条曲线是在不同正向电压下P区少子浓度的分布情况。

各曲线与所对应的水平线之间的面积代表了非平衡少子在扩散区域的数目。

当外加电压增大时，曲线由变为，非平衡少子数目增多；当外加电压减少时，曲线由，非衡少子数目减少。

扩散区内，电荷的积聚和释放过程与电容器充，放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容。

与一样，也具有非线性，它与流过PN结的正向电流I，温度的电压当量以及非平衡少子的寿命有关。

越大，越大，越小，就越大。

由此可见，PN结的结电容

是

与

之和，即

由于

与

一般都很小（结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百皮法），对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因而只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。

1.2半导体二极管

将PN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,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1.2.1所示.

1.2.1半导体二极管的几种常见结构

二极管的几种常见结构如图1.2.2（a）-（c）所示,符号如图（d）所示

1.点接触型二极管:

图（a）所示,由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接,形成PN结.因而结面积小,不能通过较大的电流,但其结电容较小,一般在1pF以下,工作频率可达100MHz以上,因此适用于高频电路和小功率整流.

2.面接触型二极管:

图（b）所示,是采用合金法工艺制成的.结面积大,能够流过较大的电流,但其结电容大,因而只能在较低频率下工作,一般仅作为整流管.

3.平面型二极管:

图（c）所示,是采用扩散法制成的.结面积较大的可用于大功率整流,结面积小的可作为脉冲数字电路的开关管.

1.2.2二极管的伏安特性

一.二极管和PN结伏安特性的区别

与PN结一样,二极管具有单向导电性.但是,由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻,所以当外加正向电压时,在电流相同的情况下,二极管的端电压大于PN结上的压降;或者说,在外加正向电压相同的情况下,二极管的正向电流要小于PN结的电流;在大电流情况下,这种影响更为明显.另外,由于二极管表面漏电流的存在,使外加反向电压时的反向电流增大.

在近似分析时,仍然用PN结的电流方程式（1.1.3）来描述二极管的伏安特性.

实测二极管的伏安特性时发现,只有在正向电压足够大时,正向电流才从零随端电压按指数规律增大.使二极管开始导通时临界电压称为开启电压UON,如图1.2.3所示.当二极管所加反向电压的数值足够大时,反向电流为IS.反向电压太大将使二极管击穿,不同型号二极管的击穿电压差别很大,从几十伏到几千伏.

表1.2.1列出两种材料小功率二极管开启电压,正向导通电压范围,反向饱和电流的数量级.由于硅材料PN结平衡时耗尽层电势UHO比锗材料的大,使得硅材料的UON比锗材料的大.

材料

开启电压

导通电压

反向饱和电流

硅

0．5V

0．6V-0．8V

<0.1uA

锗

0．1V

0．1V-0．3V

几十uA

二．温度对二极管伏安特性的影响

在环境温度升高时,二极管的正向特性曲线将左移,反向特性曲线下移（如图1.2.3虚线所示）.在室温附近,温度每升高1°C,正向压降减小2-2.5mV;温度每升高10°C,反向电流约增大一倍.可见,二极管的特性对温度很敏感.

1.2.3二极管的主要参数

为描述二极管的主要性能,常引用以下几个主要参数:

（1）最大整流电流IF:

IF是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流,其值与结面积及外部散热条件等有关.在规定散热条件下,二极管正向平均电流若超过此值,则将因结温升过高而烧坏.

（2）最高反向工作电压UR:

UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压,超过此值时,二极管有可能因反向击穿而损坏.通常UR为击穿电压U（BR）的一半.

（3）反向电流IR:

IR是二极管未击穿时的反向电流.IR愈小,二极管的单向导电性愈好,IR对温度非常敏感.

（4）最高工作频率fM:

fM是二极管工作的上限频率.超过此值时,由于结电容的作用,二极管将不能很好的体现单向导电性.

1.2.4二极管的等效电路

二极管的伏安特性具有非线性,这给二极管应用电路的分析带来一定的困难.为了便于分析,常在一定的条件下,用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性,并用之取代电路中的二极管.能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路,也称为二极管的等效模型.

一.与伏安特性折线化得到的等效电路

由伏安特性折线化得到的等效电路如图1.2.4所示,图中粗实线为折线化的伏安特性,虚线表示实际伏安特性,下边为等效电路.

图（a）所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向压降为零,截止时反向电流为零,称为理想二极管,用二极管的符号去掉中间横线表示.

图（b）所示的折线化伏安特性表明二极管导通时正向压降为一个常量UON,截至时反向电流为零.因而等效电路是理想二极管串联电压源UON.

图（c）所示的折线化伏安特性表明当二极管正向电压u大于UON后其电流i与u成线性关系,直线斜率为1/Rd.二极管截止时反向电流为零.因此等效电路是理想二极管串联电压源UON和电阻Rd,且Rd=△U/△I.

举例：

分别用三种等效电路求电流

在图1.2.5所示电路中,若电压源V远大于二极管的导通电压UD,则可以认为电阻R上电压UR约等于电压源电压V,即认为二极管具有图1.2.4（a）所示特性,回路电流I≈V/R.

因为二极管导通电压的变化范围很小,因而多数情况下可以认为图1.2.5所示电路中的二极管具有图1.2.4（b）所示特性,对于硅管,可取UD=UON=0.7V;对于锗管,可取UD=UON=0.2V;因而回路电流I=

.

为使计算出的回路电流I更接近实际情况,可以选择图1.2.5所示电路中的二极管具有图1.2.4（c）所示的特性,此时回路电流I=

.

在近似分析中,三个等效电路中以图（a）误差最大,图（c）误差最小,一般情况下多采用图（b）所示电路.

[例1.2.1]电路如图1.2.6所示,二极管导通电压UD约为0.7V.试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值.

解:

当开关断开时,二极管因加正向电压而处于导通状态,故输出电压

Uo=V1-UD≈（6-0.7）V=5.3V

当开关闭合时,二极管外加反向电压,因而截止,故输出电压Uo=V2=12V

二.二极管的微变等效电路

当二极管外加直流正向偏置电压时,将有一直流电流,曲线上反映该电压和电流的点为Q点,如图1.2.7（a）所标注.若在Q点基础上外加微小的变化量,则可以用以Q点为切点的直线电流来近似微小变化时的曲线,如图1.2.7（a）所示:

即将二极管等效成一个动态电阻rd,且rd=△Ud/△iD,如图（b）所示,称之为二极管的微变等效电路.由于二极管正向特性为指数曲线,所以Q愈高,rd的数值愈小,利用二极管的电流方程可以求出rd:

式中ID是Q点的电流.即

1.2.5稳压二极管

2尾页格式及要求

【小结】今天我们主要讲了本征半导体、N（P）型半导体和二极管的的结构工作原理、主要参数等。

【作业】P64三题1。

1题（只要求做在书上，下次课订正）

1．6题1.17题1.18题

【授课随记】

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