模拟电路康华光第五版版第三章

电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
V0 接触电 位差
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P型区
扩散运动
N型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），其中磷原子与四个相临的半导体原子形成 共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受 束缚，很容易被激发而成为自由电子。 多余电子
+4 +4
+ + + 在N型半导体中自由电子是多数载 流子，它主要由杂质原子提供，还有热 激发；空穴是少数载流子, 由热激发形 成。 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。
－ － － － － － － － － － － － 在P型半导体中空穴是多数载流 子，它主要由掺杂形成；自由电子是 少数载流子， 由热激发形成。 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。 － － － － － － － － － － － － 2 1 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
3.1.1 半导体材料 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。
一种物质的导电性能取决于它的载流子密度。
3.1.2 半导体的共价键结构
PN结的伏安特性
热击穿——不可逆 雪崩击26 mV q
3.2.5 PN结的电容效应
(1) 势垒电容CB
(2) 扩散电容CD
当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积 的少子数量及浓度梯度 也不同，这就相当电容 的充放电过程。
+
P区
耗尽层
N区
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
P型半导体
3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
n=5×1016/cm3
总 结 杂质半导体的示意表示法
1、N型半导体中电子是多子，空穴是少子，由于
数量的关系，起导电作用的主要是多子。近 似认为多子与杂质浓度相等。 掺杂浓度为百万分之一 载流子浓度增加：
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），硼原子与相临的半导体原子形成 共价键时，产生一个空穴。
空穴
2、自由电子浓度远大于空穴浓度。 多数载流子（多子） 自由电子 少数载流子（少子） 空穴。
+4
+4
+3
+4
硼原子
3.1.4 杂质半导体
3. 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影 响，一些典型的数据如下:
3.2.1 载流子的漂移与扩散
3.2.2 PN结的形成
扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散 运动。
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
PN结面积小，结 电容小，用于检波和 变频等高频电路。
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。
(b)面接触型
（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 二极管的结构示意图 (a)点接触型
7
半导体二极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
3.3.2 二极管的伏安特性
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 漂移运动： 由电场作用 引起的载流子的 运动称为漂移运 动。 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + 内电场E N型半导体
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 扩散的结果是使空间电荷 区逐渐加宽，空间电荷区 越宽而又会阻止扩散。 + + + + 内电场E N型半导体
N型半导体
P型半导体
3
判断题
• 半导体中有2种载流子可供导电，而铜只有 1种载流子用于导电，所以，半导体导电能 力强。 • N型半导体的自由电子数目远多于空穴，所 以，N型半导体带负电。
3.2 PN结的形成及特性
3.2.1 载流子的漂移与扩散 3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应
_
内电场被削弱，多子的扩散加强能够形 成较大的扩散电流。
•大的正向扩散电流 •低电阻
3.2.3 PN结的单向导电性
PN结反向偏置
(2) PN结加反向电压时
当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加 反向电压，简称反偏。 变厚 内电场被被加强， 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 P N － + 较小的反向电流。 － + 内电场 外电场
PN结的形成，从无到有，逐渐变宽变粗，最后，PN结保持宽度不变， 预示着多子扩散和少子漂移达到动态平衡，两者作用互相抵消。
5
3.2.3 PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正 向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 变 薄 －+ －+ + P －+ N 外 － +内 电 电 场 场
空间 电荷 区
N型区
3.2.2 PN结的形成
PN结: 这些不能移动的带电粒子 集中在P区和N区交界面附近，形 成了一个很薄的空间电荷区，这就 是所谓的PN结。
在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 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。
耗尽区: 在这个区域内(PN结)，多数载流 子已扩散到对方并复合掉了，或 者说耗尽了，因此空间电荷区有 时又称为耗尽区。
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。
请注意 1、空间电荷区中没有载流子。
PN 结 的 形 成
2、空间电荷区中内电场阻碍多子的扩散 运动，促进少子的漂移运动。 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即漂 移电流很小，nA级。 4、扩散与漂移达到动态平衡时即形成PN结。
1
3.1.3 本征半导体（纯净物）
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。 空穴——共价键中的空位。
本征半导体的导电机理
电子空穴对——由热激发而 产生的自由电子和空穴对。 空穴的移动——空穴的运动 是靠相邻共价键中的价电子 依次充填空穴来实现的。
由于随机热振动致使共价键被打破而产生 空穴－电子对
6
3.2.3 PN结的单向导电性
(3) PN结V-I 特性表达式
3.2.4 PN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，此现象称为PN结的反向击穿。
i D I S (e vD / VT 1)
其中
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
且在常温下（T=300K）
二极管的伏安特性曲线可用下式表示
i D I S (e vD / VT 1)
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管。
硅二极管2CP10的V-I 特性 锗二极管2AP15的V-I 特性
3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3 3 半导体二极管 3.3 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管
学习时的苦痛是暂时的，未学到的痛苦是终生的。
Time the study pain is temporary, has not learned the pain is life life-long.
• 教学要求： 1）掌握半导体二极管的单向导电性；能分析 含二极管的电路，求得输出端的电位或画 出输出信号波形。 2）掌握稳压二极管的应用及分析 3）理解不同电路模型下的近似计算精确程度， 掌握经典模型下的电路计算。
3.1 半导体的基本知识
3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体