模拟电子技术_第一章1_二极管_刘广孚

模拟电子技术 Fundamental of Analog Electronic Circuit
刘广孚 博士/副教授 信息与控制工程学院电工电子学教学中心 7812921,13864774419 Liugf＠, Liugf1966＠
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第一章 常用半导体器件 半导体器件是近代电子学的重要 组成部分. 体积小、重量轻、使用寿命长、 输入功率小、功率转换效率高等优点 而得到广泛的应用。
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 内电场E N型半导体
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + 场越强 ，就使漂 + 内 +电 + + + 移运动越强，而漂移 。 + 使 + 空间 + 电 + 荷区变薄 + + + + + +
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PN结的伏安特性
_ P
－ － －
内电场被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量 有限，只能形成 + N 较小的反向电流。
在PN结的两 端加上电压后， 通过管子的电流 i 随管子两端电 压u 变化的曲 线——伏安特性。
u
I = I S (e UT − 1) = I S (e
qu kT
本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发 时,价电子完全被共价键束缚着，本征半 导体中没有可以运动的带电粒子（即载 流子Carrier），它的导电能力为0，相当 于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子(Free electron)，同时共价键上 留下一个空位，称为空穴(Empty hole)。
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PN结反向电压增加时，空间电荷区中电场增 强，电子和空穴获得很大的能量，在运动中不 断与晶体原子发生“碰撞”。 “碰撞”可使价电子 激发，形成电子空穴对，称为“碰撞电离”。新 产生的电子和空穴，在电场作用下也向相反的 方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再 产生电子空穴对，这就是载流子的“倍增效应” 。 当反向电压增大到某值后，载流子的倍增情况 就象在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流 子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是 PN结就发生雪崩击穿。 35
半 导 体 二 极 管 的 结 构 类 型
1.3 半导体二极管
半 导 体 二 极 管 的 特 性 曲 线 半 导 体 二 极 管 的 参 数 半 导 体 二 极 管 的 温 度 特 性 半 导 体 二 极 管 的 型 号 特 殊 二 极 管
1.3.1 半导体二极管的结构
在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。 二极管按结构分有点接触型PN 、 面接 触型 和平 面型三 结 面积小 ，结电 容小 ， 大类。 用于检波和变频等高频电路。 (1) 点接触型二极管—
PN结处载流子的运动演示
请注意 1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、 N中的电子（都是多子）向对方运动 （扩散运动）。 3、P中的电子和N中的空穴（都是少 子），数量有限，因此由它们形成的 电流很小。
P型区
空间 电荷 区
N型区
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1-3
PN结正向偏置
变薄 内电场被削弱， 多子的扩散加强 － + + + + 内电场 能够形成较大的 扩散电流。_
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在硅和锗晶体中，原子之间靠的很近，分属 于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使 价电子为两个原子所共有，每个原子与其相邻的 原子之间形成共价键，共用一对价电子。 硅和锗的共价键结构
共价键 共用电子对 +4表示除 去价电子 后的原子
+4 +4
形成共价键后，每个原子的 最外层电子是八个，构成稳定 结构。 共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
1.2.4
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CT 二是扩散电容CD
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(1) 势垒电容CT
势垒电容 (Barrier Capacitance)是由空间电 荷区的离子薄层形成的。当外加电压 (反向或正 向偏置)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，这相当于PN结中存储 的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。
杂质半导体的示意表示法
§1.2 PN结及其单向导电性
1.2.1 PN 结的形成
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
在同一片半导体基片上，分别制造P型 半导体和N型半导体，经过载流子的扩 散，在它们的交界面处就形成了PN结。
N型半导体 N型半导体中的载流子是什么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子 相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层 有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一 个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成 为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称 为受主原子。
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1-4
齐纳击穿的物理过程 在较高的反向电压下，PN结空间 电荷区中存在一个强电场，它能够直 接破坏共价键，将束缚电子拉出来形 成电子-空穴对，因而形成较大的反向 电流。齐纳击穿一般发生在杂质浓度 大的PN结中。因为杂质浓度大，空间 电荷区内电荷密度也大，因而空间电 荷区很窄， 即使反向电压不太高，在 PN结内就可形成很强的电场，容易形 成齐纳击穿。 一般整流二极管掺杂浓度 不很高，它的电击穿多数是雪 崩击穿。齐纳击穿多数出现在 特殊的二极管中，如稳压二极 管。由于击穿破坏了PN结的单 向导电性，所以使用时应尽量 避免出现击穿现象。
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现代电子学中，用的最多的半导 体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层 电子（价电子）都是四个。
1.1.1 本征半导体 通过一定的工艺过程，可以将半导体 制成晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶 体，称为本征半导体。
Ge
Si
电子器件所用的半导体具有晶体结构，因 此把半导体也称为晶体(Crystal)。 5
空间电荷区
+ + + + 所以扩散 + + 和漂 移这一对相反 + + + + + + 的运动最终达 + + + + 到 + 平衡 + ，相当 于两个区之间 + + + 没 有电 + + + 荷运 动，空间电荷 区的厚度固定 不变。
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扩散运动
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扩散运动
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扩散运动
电位U U0
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
本章主要内容
半导体基础知识 PN结的形成及特性 半导体二极管 半导体三极管 场效应管
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§1.1 半导体的基本知识 自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。 半导体的电阻率为10-3～109 Ω⋅cm。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
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共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键 中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱 离共价键成为自由电子，因此本征半导体中 的自由电子很少，所以本征半导体的导电能 力很弱。 8
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1-1
本征半导体的导电机理
本征半导体的导电机理 在其它力的作用下， 空穴吸引邻近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
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本征半导体的导电机理演示
空穴
+4

+4
自由电子
+4
+4
+4
+4 束缚电子
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+4
+4
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本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流 子，即自由电子和空穴。 本征半导体的导电能力取决于载流子的 浓度。 温度越高，载流子的浓度越高，因此本 征半导体的导电能力越强。温度是影响半 导体性能的一个重要的外部因素，这是半导 体的一大特点。
+4
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+4 +4