模拟电子电路2章1(XXXX02)西北工业大学

(4-1)第二章常用半导体器件原理基本电路2.1半导体基础知识2.2PN结2.3晶体二极管2.4双极性晶体管2.5场效应晶体管(4-2)2.1.1本征半导体根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体：硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体导电性能受温度、光照和掺杂影响。2-1半导体物理基础22910~104210~10610导体半导体绝缘体(4-3)•结构特点：１、外层４个电子；２、共价健＋４半导体特性：物质的导电能力由物质原子的内部结构和原子间的组合方式决定。2-1半导体基础知识(4-4)硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)2-1半导体基础知识•导电特点３、受光照影响２、受掺杂影响1、无自由电子４、温度影响(4-5)2.1.1本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。纯净的含义•无杂质•晶体结构完整2-1半导体基础知识(4-6)一、半导体中的载流子１、热力学温度0K无外界激发2.1.1本征半导体2-1半导体基础知识(4-7)2.1.1本征半导体2、热力学300K室温，产生自由电子一、半导体中的载流子光照激发(c)自由电子空穴本征激发(4-8)一、半导体中的载流子１、热力学温度0K无外界激发自由电子：价电子能量增高，有的价电子挣脱原子核的束缚，而参与导电。2、热力学300K室温，产生自由电子空穴：价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。2.1.1本征半导体2-1半导体基础知识(4-9)3、空穴的移动（动画2-1）空穴在晶格中的移动(4-10)本征激发和复合的过程（动画1-1）2.1.1本征半导体二、本征激发和复合2-1半导体基础知识(4-11)价电子获得能量挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发•本征激发•复合自由电子释放能量而进入有空位的共价键，使自由电子和空穴成对消失这一现象称为复合。在外电场作用下电子空穴对作定向运动形成的电流。•漂移电流产生电子空穴对(4-12)导电性能发生变化(1)N型半导体(2)P型半导体2.1.2杂质半导体在本征半导体中参入杂质的半导体称杂质的半导体杂质主要是三价或五价元素参入少量五价元素参入少量三价元素2-1半导体基础知识TextTextText参杂结果形成两种半导体材料(4-13)(1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素（例如磷），可形成N型半导体,也称电子型半导体。自由电子(4-14)(2)P型半导体提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。本征激发参杂本征激发电子是多数载流子，主要由掺杂形成；空穴是少数载流子，由热激发形成。(4-15)(2)P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。空穴(4-16)(2)P型半导体空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。本征激发参杂本征激发空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。(4-17)本征室温下,本征激发产生的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm3掺杂AddYourTitle掺杂浓度:n=5×1016/cm3本征硅AddYourTitle本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm32.1.3杂质对半导体导电性的影响2-1半导体基础知识典型的数据如下:(4-18)2.1.4半导体中的电流飘移电流扩散电流在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处扩散，形成扩散电流。扩散电流大小与浓度梯度有关。2-1半导体基础知识(4-19)2.2PN结2.2.1PN结的形成2.2.2PN结的单向导电性2.2.3PN结的击穿特性2.2.4PN结的电容效应(4-20)2.2.1PN结的形成N型半导体和P型半导体紧密结合在一起。在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。PN空穴电子多子少子空穴电子扩散电流(4-21)NP结PN内电场1.随着扩散运动的进行，2.在界面N区的一侧，杂质变成正离子；3.在界面P区的一侧，杂质变成负离子。4.在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；5.在N型和P型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。6.这种离子薄层会形成一个电场，方向是从N区指向P区，称为内电场，空间电荷区(4-22)内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。扩散电流漂移电流NP结PN内电场漂移电流(4-23)NP结PN内电场扩散电流漂移电流扩散电流漂移电流最后,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。(4-24)在N型和P型半导体的结合面上发生物理过程总结:因浓度差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。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区(4-25)浓度差扩散运动电荷区形成内电场阻止扩散运动促使漂移运动动态平衡(4-26)PN结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。电源正极PN发光二极管发光2.2.2PN结的单向导电性(4-27)此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。NP发光二极管熄灭PN结具有单向导电性，若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。结论(4-28)定义当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置，简称正偏。当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为反向偏置，简称反偏。正向偏置反向偏置(4-29)2.2.2.1PN结加正向电压时的导电情况PNPN结外电场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，内电场对多数载流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结呈现低阻性。内电场PN内电场IF(4-30)2.2.2PN结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压时，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结呈现高阻性。PNPN结内电场IS外电场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IS。PN内电场(4-31)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。PN结具有单向导电性(4-32)其中iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V)1(/SDDTUueIiIS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTUTmV262.2.2.3PN结的I-V方程PN结的电压和电流之间的关系为：(4-33)PN结的伏安特性曲线如图所示。•处于第一象限的是正向伏安特性曲线，•处于第三象限的是反向伏安特性曲线。•正向偏置：v0.1V/VTsIIe•反向偏置：|V|0.1sII(4-34)iDOVBRD2.2.3PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆此现象称为PN结的反向击穿。(4-35)2.2.3PN结的击穿特性1、雪崩击穿PN结的反向电压大于某一值()时,反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的击穿VBR发生击穿所需的电压称为击穿电压（VBR）低参杂、高电压2、齐纳击穿高参杂、低电压(4-36)1、雪崩击穿反向电压少子动能少子速度碰撞共价键中电子产生自由电子电流剧增条件：低参杂、高电压（耗尽区宽碰撞机会多）对硅材料：V7BRV(4-37)2、齐纳击穿条件：高掺杂、低电压（耗尽区窄，低电压产生强电场）对硅材料：V5BRV低电压产生强电场产生空穴电子对电流剧增耗尽区窄拉出共价键中电子(4-38)2.2.4PN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。(4-39)(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。势垒电容示意图当外加电压使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。(4-40)(1)势垒电容CB随着外加电压的变化离子薄层的厚度的变化情况。外加反向电压高外加正向电压低0v(1)VTTnBCdQCdv0:TCV=0时的TCn：为变容指数为内建电位差V:B(4-41)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。(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。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。(4-42)扩散电容示意图PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同正向偏置外加电压不同扩散电流大小不同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(4-43)(2)扩散电容CDvvvpnDQQQC如果引起的电压变化量为则:nQupQVnDTIQCvPN结上的总电容为:jTDCCC(4-44)•温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。•对硅材料温度每增加10℃，反向电流将约增加一倍。•对锗材料温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。•温度升高时，PN结的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。。2.2.5PN结的温度特性温度对PN结的性能有较大的影响。(4-45)温度对PN结性能的影响图示v(2~2.5)/mVCT21()/10212TTssII•温度每升高1℃,结电压减小2~2.5mV。•温度每升高1０℃,反向饱和电流增大一倍。总结