模拟电子技术一二章总结

模电一二章总结1.1半导体基础知识物质按照其导电能力可以分为导体、半导体、和绝缘体三种类型。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质叫做半导体。半导体之所以被用来制造电子元器件是因为它具有不同于其他物质的特性。这些独特的性质集中体现在它的电阻率可以因某些外界因素的改变而明显的变化。（1）掺杂性：半导体的电阻率受掺入的“杂质”影响极大，在半导体中即使掺入的杂质十分微量，也能使其电阻率大大地下降，利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。（2）热敏性：一些半导体对温度的反应很灵敏，其电阻率随着温度的上升而明显下降，利用这种特性很容易制成各种热敏元件，如热敏电阻、温度传感器等。（3）光敏性：有些半导体的电阻率随着光照的增强而明显下降，利用这些特性可以做成各种光敏元件，如光敏电阻歌光电管等。1.1.1本征半导体一、晶体结构用物理方法，使半导体材料的原子按结晶方式规则的排列，形成的半导体叫做单晶体。如果半导体材料中的原子排列不规则，则形成的半导体晶体叫做多晶体。高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。硅和锗在使用时都要做成本征半导体。在组成本征半导体时，硅（锗）原子按一定规律整齐排列，组成一定形式的空间点阵。每个硅（锗）原子最外层的四个价电子与相邻的四个硅（锗）原子的各一个价电子形成四对共价键结构。共价键中的电子受两个原子核引力的束缚，使得每个硅（锗）原子最外层形成拥有八个共有电子的稳定结构。二、本征激发和两种载流子价电子受激发挣脱共价键的束缚，离开原子，跃迁到导带成为能参与导电的自由电子；同时在共价键中留下相同数量的空位，上述现象称为本征激发。（1）在绝对零度和无外界激发时，本征半导体中无载流子共价键内的两个电子称为束缚电子。共价键有很强的结合力，如果没有足够的能量，则价电子不能挣脱原子核的束缚成为自由电子。此时，在本征半导体中，没有可以自由运动的带电粒子——载流子，因而在外电场作用时不会产生电流。在这种条件下，本征半导体不能导电。（2）本征半导体受激发产生载流子——自由电子和空穴在获得一定的能量（热、光等）后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子。同时，在共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。①本征半导体中的自由电子载流子价电子挣脱共价键后成为自由电子。自由电子带负电，在外电场的作用下，自由电子将逆着电场方向定向运动，形成电子电流。因此，自由电子是本征半导体中的一种载流子。②本征半导体中的空穴载流子由于空穴的存在，在外加电场的作用下，处于共价键上的价电子也按一定方向依次填补空穴。因此，在半导体中出现了价电子填补空穴的运动，相当于空穴在于价电子运动相反的方向上运动。由此可见，在本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。它们是成对出现的，通常称为电子空穴对，其浓度相等。另外，由于两者电荷量相等，极性相反，所以本征半导体呈电中性。三、本征半导体中载流子的浓度由于本征激发在本征半导体中产生自由电子—空穴对的同时，还会出现另一种现象：自由电子和空穴在运动过程中的随机相遇，使自由电子释放原来获取的激发能量，从导带跌入价带，填充共价键中的空穴，电子—空穴对消失，这种现象称为复合。在一定的温度下，本征半导体中的自由电子和空穴成对产生和复合的运动都在不停的进行，最终要达到一种热平衡的状态，使本征半导体中的载流子浓度处于某一热平衡值。本征激发和复合式本征半导体中电子—空穴对的两种矛盾运动形式，在本征半导体中的电子和空穴的浓度总是相等的。若设ni为本征半导体热平衡状态时的电子浓度，pi为空穴浓度，本征载流子的浓度可用下式表示：)2(123kTEiiGOeTKpn式中，T为热力学温度，k为玻尔兹曼常数，EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.785eV），K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。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，既可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。1.1.2杂志半导体在本征半导体中人为的掺入一定量的杂质成分的半导体称为杂质半导体。这样会使半导体材料的导电能力显著改善。在本征半导体中掺入不同类型的杂质可以改变半导体中两种载流子的浓度。根据掺入杂质的种类的不同，半导体可分为N型半导体（掺入五价元素杂质）和P型半导体（掺入三价元素杂质）。一、N型半导体（1）本征半导体中掺入微量的五价元素构成N型半导体由于杂质原子的最外层有五个价电子，则晶体点阵中的某些位置上，杂质原子取代硅（锗）原子，有四个价电子与相邻的硅（锗）原子的四个价电子组成共价键，多余的一个价电子处于共价键之外，这个多余的电子不受共价键的束缚，只需要很少的能量就能成为自由电子，但在产生自由电子的同时并不产生新的空穴。这样，每个杂质原子都能提供一个自由电子，从而使半导体中的自由电子数量大大增加。因此，杂质半导体的导电能力也大大增强。（2）N型半导体中的“多子”——自由电子和“少子”——空穴除了杂质原子提供的自由电子外，在半导体中还有少量有本征激发产生的电子空穴对。但由于增加了许多额外的自由电子，因此在N型半导体中自由电子数远大于空穴数。这种半导体主要依靠自由电子导电，所以自由电子叫做“多数载流子”，简称“多子”；而空穴叫做“少数载流子”，简称“少子”。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，N型半导体的导电性能也就越强。（3）N型半导体呈电中性在N型半导体中，杂质原子可以提供电子，故称为施主原子。杂质原子失去电子后成为带正电荷的正离子，由原子核以及核外电子组成，处在晶体结构当中不能自由移动。因此，正离子不是载流子。N型半导体中的正电荷量（由正离子和本征激发的空穴所带）与负电荷量（由杂质原子施放的电子和本征激发的电子所带）相等，所以N型半导体呈电中性。二、P型半导体（1）本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，由于杂质原子的最外层只有三个价电子，在与周围硅（锗）原子组成共价键时，因缺少一个价电子而产生一个空位。当受能量激发时，相邻共价键上的电子就可能填补这个空位，在电子原来所处的位置上产生一个空穴。在常温下，每个杂质原子都能引起一个空穴，从而使半导体中的空穴数量大大增加。（2）P型半导体中的“多子”——空穴和“少子”——自由电子在P型半导体中，尽管有本征激发产生的电子空穴对，但由于掺入的每个杂质原子都能引起一个空穴，因而空穴数远大于自由电子数。空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，故空穴为多数载流子，而电子为少数载流子。控制掺入杂质的浓度，便可控制多数载流子空穴的数目。（3）P型半导体呈电中性在P型半导体中，杂质原子中的空位可以吸收电子，故称为受主原子。杂质原子吸收电子后成为带负电荷的负离子，但不能自由移动。因此，负离子不是载流子。P型半导体中的正电荷量（由硅（锗）原子失去电子形成的空穴和本征激发的空穴所带）与负电荷量（负离子和本征激发的电子所带）相等，所以P型半导体呈电中性。在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大，而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度就越大。1.1.3漂移电流与扩散电流半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导电电流。一般一起载流子定向运动的原因有两种：一种是由于电场而引起载流子的定向运动，成为漂移运动，由此引起的导电电流称为漂移电流；另一种是由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动，称为扩散运动，由此引起的导电电流称为扩散电流。一、漂移电流半导体内的漂移电流和我们所熟悉的金属导体内的电流的概念相当，两者都是电场力作用的结果，只是金属中只有自由电子电流，没有洞穴电流。在半导体中，带正电荷的空穴沿电场力方向漂移，带负电荷的自由电子逆电场力方向漂移，虽然两者漂移方向相反，但产生的漂移电流方向却相同，故两者电流相加。电场力使载流子定向运动，但载流子在运动过程中又不断与晶格“碰撞”而改变方向。因此，载流子的微观运动并不是定向的，只是在宏观上有一个平均漂移速度。电场越强，载流子的平均漂移速度越快。由漂移电流产生的原因很容易得出：漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。杂质半导体中的多子浓度远大于少子浓度，因此，多子漂移电流远大于少子电流。二、扩散电流导体中只有电子一种载流子，建立不了电子的浓度差，故导体中载流子只有在电场作用下的漂移运动。而半导体中有电子和空穴两种载流子，在实际工作中，当有载流子注入或光照作用是，就会出现非平衡载流子。在半导体处处满足电中性的条件下，只要有非平衡电子，就会有等量的非平衡空穴，因而也就会存在浓度差。这样，在浓度差的作用下，、就产生了非平衡载流子的扩散运动。扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓度差而引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度低的区域进行。另外需要注意：扩散电流不是电场力产生的，所以它与电场强度无关。扩散电流与载流子浓度也无关，主要决定于载流子的浓度梯度（或浓度差）。1.1.4PN结PN结并不是简单的将P型和N型材料压合在一起，它是根据“杂质补偿”的原理，采用合金法或平面扩散法等半导体工艺制成的。虽然PN结的物理界面把半导体材料分为P区和N区，但整个材料仍然保持完整的晶体结构。一、PN结的形成假设P区和N区结合初期，在N型和P型半导体的界面两侧明显的存在着电子和空穴的浓度差，将导致载流子的扩散运动：N型半导体中的电子（多子）向P区扩散，这些载流子一旦越过界面，就会与P区空穴复合，在N区靠近界面处留下正离子，P区生成负离子；同理，P型半导体中的空穴（多子）由于浓度差向N区扩散，与N区中电子复合，在P区靠近界面处留下负离子，N区生成正离子。伴随着这种扩散和复合运动的进行，在界面两侧附近将形成一个由正离子和负离子构成的空间电荷区。显然，空间电荷区内存在着由N区指向P区的电场，N区一侧为正，P区一侧为负，这个电场称为内建电场E。另外，内建电场E的形成又将阻止两区多子的扩散，同时有利于形成两区内少子的漂移运动。或者说，内建电场将产生两区内少子的越结漂移电流，在一定程度上将抵消两区多子越结的扩散电流。半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面。随着多子扩散的进行，空间电荷区内的离子数增多，内建电场增强；与此同时，随着内建电场的增强，有利于少子的漂移，漂移电流将增大。最终，当漂移电流和扩散电流相等时，将达到一种动态的平衡，PN结即形成。这时，再没有净的电流流过PN结，也不会有净的电荷迁移。二、PN结的单向导电性（1）PN结外加正向电压PN结外加正向电压是指：外加电源的正极接到PN结的P端，负极接到PN结的N端，也称作正向接法或正向偏置，简称“PN结正偏”。此时，外加电场与PN结内电场方向相反。在外加电场的作用下，PN结的平衡状态被打破，P区的多子空穴向N区移动，与空间电荷区的负离子中和。同时，N区的多子自由电子向P区移动，与空间电荷区的正离子中和。这样，使空间电荷区变窄，内电场减弱。这致使扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而使扩散电流大于漂移电流。PN结内的电流由起支配作用的扩散电流决定，在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流。当外加正向电压增大时，内电场进一步减弱，扩散电流随之增加，形成较大的PN结正向电流。在正常工作范围内，到同事的PN结压降只有零点几伏。因此，不大的正向电压可以产生相当大的正向电流。而且，外加正向电压的微小变化便能引起正向电流的显著变化。由此，正偏的PN结表现为一个很小的电阻。（2）PN结外加反向电压PN结外加反向电压是指：外加电源的正极接到PN结的N端、负极接到PN结的P端，也称作反向接法或反向偏置，简称“PN结反偏”。此时，外加电场与PN结内电场方向相同，这将促使P区的多子空穴和N区的多子自由电子背离PN结运动，使空间电荷数目增多，空间电荷区变宽，内电场增强。这就使多子的扩散运动减弱，少子的漂