模拟电子技术简明教程 1半导体器件

二极管的伏安特性 在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流， I = f (U )之间的关系曲线。
I / mA
60 40
I / mA
15
正向特性
– 50
10 5
– 25
–0.01 0 0.2 –0.02 0.4
20
–50 –25 – 0.002 0 0.5 1.0 U / V
U/V
反 向 特 性
导通压降
内电场
UD
4. 漂移运动 内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向 N 区运动。
漂移运动
因电场作用所产 生的运动称为漂 移运动。
内电场有利于少子的漂移运动。
5. 扩散与漂移的动态平衡
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结。
空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米；
PN结加反向电压截止： PN结（耗尽层、空间电荷区）变宽，阻止扩散运 动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很 小，故可近似认为其截止。
2. PN 结加反向电压（反向偏置）
PN 结变宽
－ － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P接负、N接正
动画
在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个 空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。
本征半导体
• 半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做 本征激发（Intrinsic Excitation）。 • 产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。
1、本征半导体的结构
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
受主 原子
+4
+4
+4
+4
图 1.1.5
P 型半导体的晶体结构
2. P型半导体
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强。
3
硼（B）
说明：
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
价电子
硅原子结构
最外层电子称价电子
锗原子也是 4 价元素
(a)硅的原子结构图
4 价元素的原子常常用 + 4 电荷的正离子和周围 4 个价电子表示。
+4
(b)简化模型
图 1.1.1 硅原子结构
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材 料提纯便形成单 晶体，它的原子 结构为共价键结 构。
半导体二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 阳极引线 N 型锗片 阴极引线 N 型硅 P 型硅 阳极引线 二氧化硅保护层
( a ) 点接触型
铝合金小球 N 型硅
外壳
阴极引线
阳极引线 PN 结 金锑合金 底座
( c ) 平面型
阳极
D 阴极
阴极引线
( b ) 面接触型
( d ) 符号
图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号
本征激发
T
自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。 空穴可看成带正电的 载流子。
+4 空穴 +4
+4
+4 自由电子
+4
+4
+4
+4
+4
图 1.1.3
本征半导体中的 自由电子和空穴
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。
在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到 较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。
P接负、N接正 2. PN 结加反向电压（反向偏置）
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
动画
P
内电场 外电场
1.2.2 二极管的伏安特性
半导体二极管又称晶体二极管。
二极管的结构： 将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。
(a)外形图
(b)符号
图 1.2.4
二极管的外形和符号
半导体二极管的类型： 按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。 按 PN 结结构分：有点接触型和面接触型和平面型 二极管。 按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二 极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。
电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V,
锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。
二、 PN 结的单向导电性
1. PN结外加正向电压 又称正向偏置，简称正偏。
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。
P
空间电荷区
N
I
V
内电场方向 外电场方向 R
图 1.2.2
PN结加正向电压导通： PN结（耗尽层、空间电荷区）变窄，扩散运 动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流， PN结处于导通状态。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
图 1.1.6
杂质半导体的简化表示法
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b
（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。
四、PN结的电容效应
1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放 电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和 释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容： C j Cb Cd 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定 程度，则失去单向导电性！
N 型半导体的晶体结构
本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些 硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价 电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受 自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。电 子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子 (简称少子)。
很大程度上反映在元器件的发展上 :
• • • •
1947年 1958年 1969年 1975年
贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路
第一片集成电路只有4个晶体管，而
1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。
学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！
电子电路中信号的分类
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 n 和 p 表 示，显然 n = p 。 4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到 平衡，载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。
1.1.2 杂质半导体
四川大学锦江学院 廖均梅

第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章 第 9章 第10章
半导体器件 放大电路的基本原理 放大电路的频率响应 功率放大电路 集成运算放大电路 放大电路中的反馈 模拟信号运算电路 信号处理电路 波形发生器 直流电源
一、电子技术的发展
击穿电压 U(BR) – 0.004
死区电压
硅管的伏安特性
锗管的伏安特性
图 1.2.4
二极管的伏安特性
1. 正向特性 当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。 相应的电压叫死区电压。范 围称死区。死区电压与材料和温 度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗 管约 0.1 V 左右。 当正向电压超过死区电压后， 随着电压的升高，正向电流迅速 增大。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
1.2
半导体二极管
1.2.1 PN 结及其单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另 一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了 一个特殊的薄层，称为 PN 结。
P
PN结
N
图 1.2.1
PN 结的形成
一、 PN 结中载流子的运动
1. 扩散运动
模拟信号

二、模拟信号与模拟电路
对应任意时间值t 均有确定的函数值u或i，并且u 或 i 的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具 有连续性。
数字信号
在时间和数值上均具有离散性，u或 i 的变化在
时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的 数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量 值时信号将毫无意义。
N
–
+
2. PN 结加反向电压（反向偏置）