模拟电子技术基础 1篇 2章1

第二章1.2.1半导体材料与PN结半导体器件的工作机理cm/1075.16cm/10~101612cmcm/10/1075.1126导体绝缘体半导体影响半导体的导电性能：温度、纯度。导电性能介于导体（如金、银等）与绝缘体（如陶瓷、橡胶）之间的材料；主要有：Si（硅）Ge（锗）GaAs（砷化镓）SilicomGermaniumGalliumarsenide一、半导体材料及其电特性以硅(Si)半导体材料为例：1.本征半导体半导体材料高度提纯后的导体称为本征半导体。纯度为99.99999%以上，成为单晶体。硅原子核外有14个电子,分三层围绕原子核运动,最外层有4个电子，受原子核的束缚力最弱。硅材料高度提纯后，其原子结构排列的十分整齐。硅原子简化原子模型高度提纯后的硅原子结构本征半导体的电特性硅单晶体原子结构排列的非常整齐；每个原子外层的四个电子与相邻四周的原子外层电子形成稳定的共价键结构；绝对零度时，价电子无法争脱本身原子核束缚，此时本征半导体呈现绝缘体特性；在室温下，本征半导体非常容易受热激发产生电子—空穴对；这时的载流子浓度称本征浓度，iipn本征浓度随温度的上升而增大，所以本征载流子浓度是温度的函数。常温下，本征硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的产生称为本征激发（热激发）。在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流子参加导电。空穴也可以看成是携带正电荷的载流子（当某器件导电由两种载流子形成时，该器件就称双极型器件）。电子和空穴载流子运动说明出现空穴后，共价键中的价电子较易填补到这个空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移动。在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可能重新回到共价键中去，这种情况称为复合。在一定的温度下，热激发产生电子空穴对与它们的复合达到动态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。导体中的导电能力由电子空穴对的浓度决定。2.杂质半导体为了提高半导体的导电能力，在本征半导体中掺入某些微量的有用元素作为杂质，称为杂质半导体。微量有用杂质(1)N型半导体在本征半导体中掺入磷、砷等五价元素。由于掺入量极微，所以硅的原子结构基本不变，只是某些硅原子被杂质替代了。该原子除外层的四个电子与相邻四个硅原子组成稳定的共价键结构外，仍多出一个电子，所以，掺杂后的电子数已远远超过由热激发而产生的电子数。因此，掺杂后半导体中电子为多子，空穴为少子。称电子型半导体或N型半导体。N型半导体中的电子浓度为：DN其中：称施主原子（为掺杂原子数）DiDNnNnipp而掺杂后的多出的电子非常容易失去（自由电子），从而使杂质原子变成带正电的正离子。N型半导体的简化符号表示施主原子热激发的电子-空穴对(2)P型半导体在本征半导体中掺入微量硼、镓等三价元素。由于掺入量极微，所以硅的原子结构基本不变，只是某些硅原子被杂质替代了。该原子除外层的三个电子与相邻四个硅原子组成共价键结构外，还缺一个电子，留下一个空穴。所以，掺杂后的空穴数已远远超过由热激发而产生的空穴数。因此，掺入三价元素后半导体中的空穴为多子，电子为少子。称空穴型半导体或P型半导体。在P型半导体中的空穴浓度为：AN其中：称受主原子（为掺杂原子数）AiANpNpinn而杂质留下的空穴，非常容易从其它地方的电子来补充，从而使杂质原子变成带负电的负离子。P型半导体的简化符号表示受主原子热激发的电子-空穴对在热平衡的条件下，一种半导体中的两种载流子的乘积是一定的，与所掺杂质无关。22iiiinpnpnp说明在半导体中，掺入杂质越多，少子越少。N型半导体中的少子浓度：DiNnp2P型半导体中的少子浓度：AiNnn2可以证明：例1在室温27度，本征半导体中的硅原子浓度为5.11022cm-3，若掺入109分之一的施主杂质。试求此时半导体中的电子和空穴浓度，两种半导体的电阻率？3139322101.510101.5cmcmND3101043.1cmpnii解：求施主浓度设室温时的本征电子浓度和本征空穴浓度为掺杂后的电子浓度3139313310101.510101.51043.1cmcmcmNnnDi掺杂后的少子（空穴）浓度36132102101.4101.5)1043.1(cmNnpDi本征半导体的电导率16310191).(1052.4)4751500(1043.1106.1].)[()(cmcmcmqnpnqpnipiniinp,其中空穴和电子的迁移率SVcm./2掺杂后电导率12136191).(102.1)1500101.5475101.4(106.1].[)(cmcmnpqnpi电阻率本征掺杂后cmii/102.215cmi/3.831在半导体中，载流子有多种运动。但电子载流子与空穴载流子产生的运动形成的电流方向一致。3.半导体中载流子的运动载流子的扩散运动—由浓度差别引起,载流子由浓度高的区域向浓度低的区域运动。扩散电流)/(2mAdxdpqDJPp)/(2mAdxdnqDJnn载流子的漂移运动—电场作用下载流子的定向运动电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动。漂移运动引起的电流称漂移电流。复合运动—载流子在运动过程中，电子和空穴相遇而消失。爱因斯坦方程扩散和漂移都满足热动力现象，而扩散常数D和迁移率可用爱因斯坦方程表示TnnppVDD电压的温度档量mVVqKTVT260259.0106.13001038.11923其中：K—波尔兹曼常数（焦尔/K）T—绝对温度（K）q—电子电荷量（库仑）二、PN结在N型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺，掺入三价元素，使之形成P型区，则在P区和N区之间的交界面处将形成一个很薄的空间电荷层，称为PN结。PN结的典型厚度为0.5m。在P区的空穴(多子)向N区扩散，从而在P区一侧留下了不能移动的负离子；开始时，由于载流子存在浓度差，两边的载流子分别向对方扩散。而在N区的电子(多子)向P区扩散，结果在N区一侧留下了不能移动的正离子；最终在交界处的正负离子形成了内建电场E。内电场是多子的扩散运动引起的，极性由N区指向P区。NP)(ln2VnNNVViDATO有了内电场后，对半导体内载流子的作用为：●阻碍多子的扩散运动●有利于少子的漂移运动在PN结开路（无外加电压）时，多子的扩散运动与少子漂移运动最终将达到动态平衡，此时扩散电流等于漂移电流，这时PN结呈现为电中性。空间电荷层、势垒区、阻挡层、高阻区阻挡层：指阻挡多数载流子的扩散运动；耗尽层：指PN结内的载流子被耗尽；动态平衡后的这个特殊区域称：耗尽层的P区厚度和N区厚度可以不对称。●正偏：P(＋)N(－)外加电压的电场方向与PN结内建电场方向相反，P、N区的多子各自返回耗尽层，从而使PN结厚度变薄。多子的扩散运动将重新被大大增加。偏置PN结-给PN结外加电压而少子的漂移被削弱，漂移电流远远小于扩散电流。此时，正向电流近似为多子的扩散电流。此时，外加电场与内电场方向一致。P、N区内的多子各自向两头运动，使得空间电荷区厚度变厚。从而阻止了多子的扩散运动，扩散电流大大减小。而有利于少子的漂移运动。这时流过PN结的电流主要为漂移电流。●反偏：P(－)N(＋)少子浓度很低，因此反向电流很小，通常可以略去；另外，在一定的温度下，靠热激发产生的少子浓度一定，与外加电压无关，故又称反向饱和电流。可见，PN结有一个十分突出的性质，正偏时PN结正向导电，有较大电流流过；反偏时PN结截止，流过PN结的反向电流很小。请问：如将PN结短路，PN结会有电流吗？PN结的单向导电性三、PN结的V—I特性/(1)TVVSIIe理论分析可得:在理想条件下流过PN结的电流与两端的电压之间关系为VT：电压的温度当量，室温下VT26mVIS：反向饱和电流(1)正向特性PN结正偏时，1,TVvTeVv则TTVvSVvSeIeIi)1()(lg60ln26lnmVIiIiIiVvSSST说明，正向电流大约每增加10倍，二极管两端电压只增加60mV。(2)反向特性PN结反偏时1TVve在一定温度下,IS基本上为常数。请思考原因？则SVvSIeIiT)1((3)温度特性温度升高时,反向饱和电流增大,正向电流也增大。PN结正向电压具有负温度系数。温度升高10℃，IS约增加1倍，电压减小25mV。(4)击穿特性当外加反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧增大，称为反向击穿。齐纳击穿：外加电场将价电子直接从共价键中拉出来，使电子空穴对增多，使电流剧增。齐纳击穿多发生在高掺杂的PN结中雪崩击穿多发生在低掺杂的PN结中4V以下为齐纳击穿,7V以上为雪崩击穿,4--7V可两者都有。雪崩击穿：当电场足够强时，载流子的漂移运动被加速，将中性原子中的价电子“撞击”出来，产生新的电子空穴对。形成连锁反应（好象滚雪球一样），使电流剧增。四、PN结电容PN结电压变化将引起结区及结外侧载流子数量(电荷量)的变化，这一效应可用结电容Cj来模拟。DBjCCC几十pF反偏时以垫垒电容为主(Barrier)正偏时以扩散电容为主（Diffusion）多子扩散到对方后，成为对方的少子。因此，结边缘有一少子浓度分布曲线。当外加正偏电压增大，浓度分布曲线变化相当于电荷量变化。CD(扩散电容)：PN结正偏P区少子电子浓度N区少子空穴浓度少子浓度分布)(FrVIdvdqCdTDQQD法拉当PN结外加反向电压增大或减小时，空间电荷区将产生宽窄的改变，这相当于两块平行夹板间距发生变化，把此时的情况看成平行夹板电容器，此时等效电容为CB(垫垒电容)：PN结反偏)(FWACB1.2.2半导体二极管二极管由一个PN结，经管壳封装后引出相应的电极而成。电路符号（P）（N）空心三角形箭头表示实际电流方向：电流从P流向N。二极管（按PN结的结构分类有）点接触型面结合型平面型按制作材料分有：硅管和锗管二、二极管的伏安特性与参数由于是一个PN结，所以其V—I特性主要决定于PN结的特性硅管锗管不同材料的二极管,其V—I特性略有差别。)1(TVvSeIi在理想条件下，二极管两端电压和电流关系用PN结方程表示：1.伏安特性OA：死区开启电压：VthAB：近似指数规律BC：近似恒压源导通电压为Von，二极管正向导电时，通常要工作在这个区-线性区。Von正向特性Von正偏时，1,TVvTeVv则TTVvSVvSeIeIi)1()(lg60ln26lnmVIiIiIiVvSSST说明，正向电流大约每增加10倍，二极管两端电压只增加60mV。Von反向特性IR(IS)SVvSIeIiT)1(VT：电压的温度当量，室温下VT26mV)1(TVvSeIiIS：反向饱和电流1.2.3特种二极管一、稳压二极管利用反向击穿特性制成，稳压范围从1V到几百伏不等。主要参数：●稳定电压VZ●动态电阻rzZZzIVrrz愈小，则击穿特性愈陡，稳压特性愈好。●最大允许耗散功率PZMZZMZVPI(max)反向击穿区起始电流●最大稳定电流IZ(max)●最小稳定电流IZ(min)稳压管用于简单的稳压电路ZLRIIILZZIIIRVV当等效负载电阻↓LI↓ZI↓当稳压管电流小于稳压管最小击穿电流Imin时，稳压电路将失去稳压作用。所以只能用于负载较轻，IL电流较小场合。二、发光二极管电致发光器件，将电信号转换成光信号。通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化镓（GaP)制成光的波长（颜色）与材料有关正偏导通时发光发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二极管大，正向电压一般为1.3-2.4V。亮度与正向电流成正比，一般需要几个毫安以上。发光