模拟电子技术第一章080304

第一章常用半导体器件为什么研究半导体？电子电路工作的核心器件是晶体管，而晶体管是由半导体材料构成的。学习本章需掌握半导体二极管、晶体管、场效应管的外部特性和主要参数；了解半导体中载流子的运动；半导体二极管、晶体管、场效应管的内部工作原理。1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体一、半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。单质半导体：碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体：磷化镓、砷化镓、磷砷化镓等本征半导体：99.9999999%纯度的具有晶体结构的半导体“九个九”物质按照其原子排列特点可分为：（晶体：原子、分子完全按照严格的周期性重复排列的物质称为晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。）晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。化学元素周期表钻石结构从本征Si结构上分析其导电性硅晶体的立体结构二、本征半导体的结构共价键（CovalenceBond）图1.1.1本征半导体平面结构示意图三、本征半导体的激发与复合激发：半导体受外界因素的影响，产生“电子—空穴对”的过程。复合：电子空穴对消失的过程。特点：a.激发形成两种载流子：自由电子与空穴。b.自由电子数=空穴数。c.两种载流子参加导电。d.导电性能与激发因素有很大关系。本征激发和复合的过程四、本征半导体中的载流子浓度2.在一定的条件下，载流子的数目是一定的。3.本征载流子的浓度计算公式：kT2E231iiGOeTKpn（1.1.1）1.动态平衡：在激发因素不变的情况下，激发复合1eV(电子伏)＝1.602189×10-19焦耳本征半导体导电性能差，且与环境温度有关。对温度的敏感性可制作热敏和光敏器件；但是又是造成温度稳定性差的原因。图1.1.3N型半导体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,得到杂质半导体。一、N型半导体在本征半导体中掺入5价元素，形成N型半导体。特点：自由电子的数目远远大于空穴的数目，称为多子；空穴称为少子。在本征半导体中掺入3价元素，形成P型半导体。特点：空穴的数目远远大于自由电子的数目，称为多子；自由电子称为少子。二、P型半导体图1.1.4P型半导体杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3导电性大大提高。金属与半导体材料的电阻率比较材料名称电阻率ρ（Ω∙m）ρ∕ρCu（倍）温度系数α（K-1）银Silver1.62×10-80.954.1×10-3铜Copper1.69×10-81.004.3×10-3铝Aluminum2.75×10-81.024.4×10-3铁Iron9.68×10-81.516.5×10-3本征硅Silicon,Pure2.5×1031.49×1011-70×10-3N型硅Silicon,n-type8.7×10-45.15×104P型硅Silicon,p-type2.8×10-31.66×105玻璃Glass1010～1014≥5.92×1018石英FusedQuartz1016硅的用途多用于制造敏感元件，例如光敏电阻、热敏电阻等，可以把非电物理量（例如光照强度、温度）转换为电量（例如电阻、电压、电流）。光敏电阻的应用举例—傻瓜相机小结上讲主要介绍了下列半导体的基本概念：本征半导体本征激发、空穴、载流子杂质半导体P型半导体和N型半导体受主杂质、施主杂质、多子、少子1.1.3PN结一、PN结的形成二、PN结的单向导电性五*PN结的电容效应三、PN结的电流方程四、PN结的伏安特性一、PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。图01.06PN结的形成过程（动画1-1）PN结形成的过程可参阅右图二、PN结的单向导电性如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。１、PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结导通呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如下图所示。（动画1-2）PN结加正向电压时的导电情况２、PN结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在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的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结截止呈现高电阻性。PN结加反向电压时的导电情况如下页图所示。PN结加反向电压时的导电情况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。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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电特性。（动画1-3）PN结加反向电压时的导电情况PN结单向导电性的特点1.正向导通、反向截止；2.正向电阻小、反向电阻大；3.反向电流小、正向电流大；4.正向电流是多子的扩散电流，与外加电压有关，电压越高，电流越大；5.反向电流是少子的漂移电流，称为：反向饱和电流。与外加电压无关，与激发有关。三、PN结的电流方程PN结的电流方程描述PN结两端电压与流过PN结的电流的关系。PN结的伏安特性式)1(TDUuSDeIi式中：iD—流过PN结的电流uD—PN结两端的电压IS—反向饱和电流UT—温度电压当量(热电压)，300K时约为26mVqkTUTk—玻尔兹曼常数，1.38×10-23(J·K-1)q—电子电量，1.602×10-19CT—绝对温标，室温为300K！！PN结电流方程的含义1.当正向电压＞＞UT（≈26mV）时，可简化为：uD2.6mV26mV260mV1V1.5V2.6V0.111038.557.71001.102.718220265.25e+161.14e+252.69e+43TDUuXxe3.当PN结反向偏置时，uD＜0SSUuSUuSDIIeIeIiTDTD1011)1(TDUuSDeIi2.当PN结正向偏置时，iD与uD之间呈指数关系。例题：P66习题1.2是否允许将1.5V的干电池以正向接法接至二极管的两端？为什么？答：不允许。这将导致二极管烧毁或电池短路损坏。由PN结伏安特性式计算可知：当UD=1.5V时，ID≈IS×1.14×1025（A）这时，即使IS很小，例如nA数量级（10-9A），有：ID≈10-9×1.14×1025=1.14×1016（A）根据计算，干电池输出功率将达到：P=U∙I=1.5V×1.14×1016（A）=1.71×1016（W）=1.71亿亿（W）这显然是不可能的。后果必然是：或者烧毁二极管，或者使电池短路损坏。因此应禁止将二极管直接与电池相连。四、PN结的伏安特性反向区截止区导通区正向区图1.1.10PN结伏安特性曲线UB0ABCD-IS锗管硅管图1.1.10不同材料PN结的伏安特性死区电压Vth硅材料为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。导通电压Von硅材料为0.6~0.7V左右；锗材料为0.2~0.3V左右。PN结伏安特性曲线的三个区正向导通区1.死区（O-A）；2.导通区（线性区A-B）；反向截止区3.截止区（O-C）;4.击穿区（C-D）。高掺杂：齐纳击穿（|UB|＜4V）;低掺杂：雪崩击穿（|UB|＞6V）;五*PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB，二是扩散电容CD。(1)势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图1.1.11。图1.1.11势垒电容示意图扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图1.1.12所示。图1.1.12扩散电容示意图当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。Cj=CB+CD1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构类型1.2.2半导体二极管的伏安特性1.2.3半导体二极管的参数1.2.5稳压二极管1.2.4二极管的等效电路1.2.6其他类型二极管1.2.1半导体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图01.11所示。(1)点接触型二极管—PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型图1.2.2二极管的结构示意图图1.2.1二极管的几种外形(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(d)二极管的符号k阴极阳极a(4)二极管的符号图1.2.2二极管的结构示意图1.2.2半导体二极管的伏安特性式中IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，VT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。)1(eTSVVII二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。(1.1.3)图1.2.3二极管的伏安特性曲线图示(1)正向特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。当0＜V＜Von时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当V＞Von时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。(2)反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。半导体二极管的温度特性温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外