第一章半导体二极管及其应用

1模拟电子线路南京邮电大学电子科学与工程学院主讲:钱国明[e-mail]:3823284762电子电路数字电路模拟电路低频电路（处理低频信号）高频电路（处理高频信号）电子电路分类电子电路数字电路模拟电路线性电路（处理小信号）非线性电路（处理大信号）3内容简介第一章晶体二极管及其基本电路第二章双极型晶体管及其放大电路第三章场效应管及其基本电路第五章集成运算放大器电路第六章反馈第四章频率响应第七章集成运放的应用第八章功率放大电路第九章直流稳压电源4课程地位与课程体系是重要的学科基础课是电子信息类专业的主干课程是强调硬件应用能力的工程类课程是工程师训练的基本入门课程是很多重点大学的考研课程很重要!5掌握硬件本领当前社会对于硬件工程师（特别是具有设计开发能力的工程师）需求量很大。培养硬件工程师比较困难。学好并掌握硬件本领将使你基础实，起点高，发展大，受益无穷！很有用!6这门课的特点涉及相关知识较多：高等数学、电路分析、信号与系统等曾有人戏称模拟电子电路为“魔鬼电路”，简称“魔电”。很难学!7学习方法“过四关”基本器件关-----电路构成工程近似关-----分析方法EDA应用关-----设计能力实验动手关-----实践应用8以电阻串、并联为例来进行说明a若两电阻R1、R2串联，如果R1R2（一般R1大十倍以上即可），则可忽略R2。即：R=R1+R2≈R1。①、近似计算（估算）1R2R1R9b、若两电阻R1、R2并联，如果R1R2（R1大十倍以上即可），则可忽略R1。即：R=R1||R2≈R2。1R2R2R10②、交、直流源同时出现在电路中时，采用叠加原理vO=vo2+VO1求vo2的过程称为动态分析求VO1的过程称为静态分析最后利用叠加原理得seELRovELR1OV直流等效电路交流等效电路seLR2ov11例一：电路如下图，求vOvo=vo1+vo2=es第一步：静态分析vo2=es画直流等效电路，求vo1vo1=0V第二步：动态分析画交流等效电路，求vo2seELROvCELR1ovseLR2ov12例二：电路如下图，求VO1、VO2ERRRVvVERRReVvV212''O2'o2O2211s''O1'o1O1第一步：静态分析画直流等效电路，求Vo1’、Vo2’ERRRVERRRVOO212'2211'1第二步：动态分析画交流等效电路，求vo2、vo20''2''1osovevseE2R2Ov1RC1ovE2R'2OV1RC'1oVse2R''2Ov1R''1ov13③、非线性元件有条件的线性化。可将非线性电路化为线性电路。二极管的特性三极管的特性ICVCEIV14考试成绩评定平时20%期末80%151孙肖子等编,模拟电子技术基础,西安:西安电子科技大学出版社,2001.2康华光主编．电子技术基础（模拟部分，第四版），北京：高等教育出版社，1988．3谢嘉奎主编．电子线路（线性部分，第四版），北京：高等教育出版社，1999．参考书16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σ104s/cm半导体σ在10-9～104s/cm间绝缘体σ10-9s/cm物质半导体的特性：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。17硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）１-１-１本征半导体18+14284+3228184硅原子（Silicon）锗原子（Germanium）图1硅和锗原子结构图19+4图1-1硅和锗原子结构简化模型核电子(最外层)20+4+4+4+4共价键价电子图1-2单晶硅和锗共价键结构示意图21说明1、共价键：相邻两个原子中的价电子作为共用电子对而形成的相互作用力。2、单晶硅：原子按一定的间隔排列成有规律的空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子核的吸引，是不能自由移动的。——束缚电子，不能参与导电。3、本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本征半导体。22绝对零度（-273OC）时晶体中无自由电子——相当于绝缘体。载流子(Carrier)指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子——本征激发一、半导体中的载流子——自由电子和空穴23+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子图1-3本征激发产生电子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24空穴的运动：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（不是自由电子）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多少有关，与多少个价电子运动无关。3、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也不会带来电荷的迁移。25结论在半导体中，有两种载流子：自由电子（负电荷）和空穴（正电荷）。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的。26二、本征载流子浓度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。与本征激发是相反的过程。一分为二本征激发复合合二为一载流子浓度：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。27本征载流子浓度：kTEiiGeTApn2/2/300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）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝-3·，锗为1.76×1016㎝-3·）。23K23K28说明随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。——对温度非常敏感。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），本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3（4.4×1022㎝-3）。相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。29结论本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。301-1-2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。31一、N型半导体图1-4N型半导体原子结构示意图+4+5+4+4键外电子束缚电子施主原子32说明在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到N型半导体。杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。——施主杂质。由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。33在N型半导体中：自由电子——多数载流子，简称多子；空穴——少数载流子，简称少子。答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数=空穴数+施主正离子问题：N型半导体是带正电还是带负电？34图1-5P型半导体原子结构示意图受主原子空位+4+3+4+4束缚电子二、P型半导体（Positivetype）35在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼、铝等），就得到P型半导体。室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴。多子（多数载流子）：空穴；少子（少数载流子）：自由电子；P型半导体是电中性的。空穴数=自由电子数+受主负离子36三、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。37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。对N型半导体，多子nn与少子pn有DinininnNnnnpnpn22238对P型半导体，多子pp与少子np有AipipippNnpnnnnp22239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。401-1-3半导体中的电流在导体中，载流子只有一种：自由电子。在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。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41IpIn一、漂移电流pnIII总电流：1、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。42①载流子浓度2.漂移电流大小取决于②外加电场强度③迁移速度二、扩散电流在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。43平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。44x0x0n(0)n(x)[p(x)]n0图1―6半导体中载流子的浓度分布45扩散电流大小主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。46思考题与习题导体、半导体和绝缘体的区别？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？解释漂移电流和扩散电流的构成？471-2PN结PN结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。PN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48+++++++++++++++PN（a）空穴和电子的扩散1-2-1ＰＮ结的形成由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子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），即PN结。49PN空间电荷区内电场UB（b）平衡时的PN结图1-7PN结的形成+++++++++++++++50PN结形成“三步曲”（1）多数载流子的扩散运动。（2）空间电荷区的形成促进少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。（3）扩散运动与漂移运动的动态平衡。PN结又称为势垒区、阻挡层。PN结很窄（几个到几十个m)。空间电荷区（耗尽层）51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？如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流为零。多子扩散电流方向少子漂移电流方向PN多子少子多子少子52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），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结NP＋耗尽区(a)PN＋耗尽区(b)53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。两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。NP＋耗尽区(a)PN＋耗尽区(b)54PN耗尽区内电场UB-U图1-9正向偏置的PN结+-ERU+++++++++++++++1-2-2ＰＮ结的单向导电特性55PN结加正向电压外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于