模拟电子技术基础 第1章 晶体二极管及其基本电路

9
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。 这种杂质原子能“施舍”出一个电子，所以称为施主原 子（杂质）。 在N型半导体中，电子浓度远大于空穴浓度。故称电 子为多数载流子，简称多子；而空穴称为少数载流子，简 称少子。因此N型半导体主要靠电子导电，所以也称为电 子型半导体。
ni = pi = A0T 3 / 2 e− EG 0 / 2 kT
(1―1)
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 –6 V/K)； A0 是与 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)。
12
第1章 晶体二极管及其基本电路
+4
+4 空位
+4
+4
+3 受主 原子
+4
+4
+4
+4
图1―5 P型半导体原子结构示意图
注意：N型半导体和 P型半导体仍然是电中性的。
13
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。 因此，在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要由掺 杂浓度决定。 • 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
15
第1章 晶体二极管及其基本电路
结论： • 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。 • 多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无 关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的大 小与温度有十分密切的关系。
16
第1章 晶体二极管及其基本电路
10
第1章 晶体二极管及其基本电路
+4
+4 键外 电子
+4
+4
+5 施主 原子
+4
+4
+4
+4
图1―4N型半导体原子结构示意图
11
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。 这种杂质能接受价电子，所以称为受主原子（杂质） 在 P型半导体中，空穴浓度远大于电子浓度。故称空穴为 多数载流子，简称多子；而电子称为少数载流子，简称少子。 因此P型半导体主要靠空穴导电所以也称为空穴型半导体。
U
＋
UB＋U E R
图1―10 反向偏置的 PN结
27
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 (e qu/kT-1)= IS (e u/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 量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。
17
第1章 晶体二极管及其基本电路
二、扩散电流 1．定义：因某种原因使半导体中的载流子的浓度分 布不均匀时，载流子从浓度大的地方向浓度小的的地 方作扩散运动，形成的电流。 2 ．扩散电流主要取决于载流子的浓度差（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)。
U UB－U
－
E
R
图1―9 正向偏置的 PN结
26
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。
耗尽区
－
内电场
8
第1章 晶体二极管及其基本电路
3.结论： • 本征半导体的导电能力是很弱的； • 本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大（由式 1-1可知），所以其导电性能对温度的变化很敏感。
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。
u
T
图1―11
PN结的伏安特性
31
第1章 晶体二极管及其基本电路
一、雪崩击穿 条件：1. PN结反偏； 2. PN结轻掺杂；
过程：耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能 ↑，被加速的少子与中性原子的价电子相碰撞，产生新的 空穴、电子对。新的空穴、电子对被电场加速后，又会撞 出新的空穴、电子对，这些新的空穴、电子对又被电场加 速，形成连锁反应，使耗尽区内的载流子数剧增，从而引 起反向电流急剧增大。其现象类似于雪崩，所以称为雪崩 击穿。
14
第1章 晶体二极管及其基本电路
nn ⋅ pn = n
2 i
2 i 2 i
(1―2a)
n n pn = ≈ nn N D
对P型半导体，多子pp与少子np有
(1―2b) N型半导体， 施主浓度
p p ⋅ np = n
2 i
2 i 2 i
(1―3a)
n n np = ≈ pp N A
(1―3b) P型半导体， 受主浓度
28
第1章 晶体二极管及其基本电路
由式(1―4)可知： • PN结正偏，且 u大于UT几倍以上，则有， i≈Iseu/UT，即
i随u呈指数规律变化；
• PN结反偏，且 |u|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)。 • 由式(1―4)可画出PN结的伏安特性曲线，如图1―11所示。
6
第1章 晶体二极管及其基本电路
+4 空穴 +4
+4 +4 自由电 子
+4
+4
+4
+4
+4
图1 ―3本征激发产生电子和空穴
7
第1章 晶体二极管及其基本电路
2．载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。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：
23
第1章 晶体二极管及其基本电路
对称PN结：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) 不对称 PN结：如果一边掺杂浓度大(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。
因此只有当扩散运动和漂移运动达 到动态平衡时，空间电荷区的宽度 和内电场的大小才能相对稳定下来
21
第1章 晶体二极管及其基本电路
P
N
P
空间电荷区
N
(a )
内电场
UB
(b )
图 1―7PN结的形成
22
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，空间电荷区展宽，使内电场不断↑，漂移运动随之 ↑ ，而扩散运动相对 ↓。最后，使扩散和漂移运动达到 动态平衡。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。 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。
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：漂移电流和扩散 电流。 一、漂移电流 •定义：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。 •形成：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，而空穴顺电子方向作定向运动，形成 空穴电流Ip。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。
2
第1章 晶体二极管及其基本电路
2.半导体的原子结构：
+4
图 1―1原子的简化模型
3
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。