71模拟电子技术基础(西电彩色版)

模拟电子技术基础高等学校电子信息类系列教材编著孙肖子张企民西安电子科技大学出版社第1章晶体二极管及其基本电路第2章双极型晶体管及其放大电路第3章场效应管及其基本电路目录第3章场效应管及其基本电路第4章集成运算放大器电路第5章频率响应第6章反馈第7章模拟集成电路系统第8章现代模拟集成电路技术第9章功率电路及系统返回第1章晶体二极管及其基本电路第1章晶体二极管及其基本电路1–1半导体物理基础知识1–2PN结及晶体二极管1–2PN结及晶体二极管1–3晶体二极管及其基本电路1–4其它二极管简介第1章晶体二极管及其基本电路1–1半导体物理基础知识按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。第1章晶体二极管及其基本电路按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出价电子的作用，我们采用图1–1所示的简化原子结构模型。第1章晶体二极管及其基本电路＋4图1–1原子的简化模型第1章晶体二极管及其基本电路纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。图1–2是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。第1章晶体二极管及其基本电路＋4共价键价电子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4图1–2单晶硅和锗的共价键结构示意图第1章晶体二极管及其基本电路一、半导体中的载流子——自由电子和空穴在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如图1–3所示。第1章晶体二极管及其基本电路＋4＋4＋4＋4＋4＋4自由电子空穴＋4＋4＋4图1–3本征激发产生电子和空穴第1章晶体二极管及其基本电路二、本征载流子浓度在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，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。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为第1章晶体二极管及其基本电路式中ni,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm–3)；T为热力学温度(K)；EG0为T=0K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是与kTEiiGeTApn2/2/300(1–1)0半导体材料有关的常数(硅为3.87×1016cm-3·K-3/2，锗为1.76×1016cm-3·K-3/2)。第1章晶体二极管及其基本电路1–1–2杂质半导体在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。第1章晶体二极管及其基本电路一、N型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图1–4所示。第1章晶体二极管及其基本电路＋4＋4＋4＋4＋5＋4键外电子施主原子＋4＋4＋4原子图1–4N型半导体原子结构示意图第1章晶体二极管及其基本电路二、P型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1--5所示。1--5第1章晶体二极管及其基本电路＋4＋4＋4＋4＋3＋4空位受主＋4＋4＋4受主原子图1–5P型半导体原子结构示意图第1章晶体二极管及其基本电路三、杂质半导体的载流子浓度在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：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。即对N型半导体，多子nn与少子pn有第1章晶体二极管及其基本电路DinininnNnnnpnpn2222对P型半导体，多子pp与少子np有(1–2a)(1–2b)AipipippNnpnnnnp222(1–3a)(1–3b)第1章晶体二极管及其基本电路由以上分析可知，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，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂浓度可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，由于ni的变化，会使少子浓度有明显变化。第1章晶体二极管及其基本电路1–1–3半导体中的电流了解了半导体中的载流子情况之后，我们来讨论它的电流。在半导体中有两种电流。一、漂移电流在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。第1章晶体二极管及其基本电路半导体中有两种载流子——电子和空穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即I=In+Ip漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。第1章晶体二极管及其基本电路二、扩散电流在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(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。反映在浓度分布曲线上(见图1–6)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。第1章晶体二极管及其基本电路x0n(0)n(x)[p(x)]x0n(0)n0图1–6半导体中载流子的浓度分布第1章晶体二极管及其基本电路1–2PN结及晶体二极管通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。第1章晶体二极管及其基本电路1–2–1PN结的形成P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分PPPN别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1–7(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图1–7(b)所示。第1章晶体二极管及其基本电路P(a)NPN空间电荷区内电场(b)UB图1–7PN结的形成第1章晶体二极管及其基本电路开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图1–7(b)所示。第1章晶体二极管及其基本电路由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。实际中，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，见图1–7(b)。如果1–7(b)一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图1--8(a),(b)所示。第1章晶体二极管及其基本电路NP＋耗尽区PN＋耗尽区(a)(b)图1–8不对称PN结第1章晶体二极管及其基本电路1–2–2PN结的单向导电特性一、PN结加正向电压使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1--9所第1章晶体二极管及其基本电路耗尽区内电场内电场UUB－U＋－RE图1–9正向偏置的PN结第1章晶体二极管及其基本电路二、PN结加反向电压使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)。由于反向电压与UB的极性一致，因而耗尽区两端的电位差变为UB+U，如图1–10所示。第1章晶体二极管及其基本电路耗尽区内电场＋－内电场UUB＋URE＋－图1–10反向偏置的PN结第1章晶体二极管及其基本电路三、PN结电流方程理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为i=IS(equ/kT-1)=IS(eu/UT-1)(1–4)式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，UT=26mV。这是一个今后常用的参数。第1章晶体二极管及其基本电路由式(1–4)可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，i≈Iseu/U-T，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则i≈–IS(负号表示与正向参考电流方向相反)。因此，式(1–4)的结果与上述的结论完全一致。由式(1–4)可画出PN结的伏安特性曲线，如图1–11所示。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。第1章晶体二极管及其基本电路1–2–3PN结的击穿特性由图1–11看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。第1章晶体二极管及其基本电路ui0T－UBRu0T图1–11PN结的伏安特性第1章晶体二极管及其基本电路一、雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价