模拟电子电路1.1

第一章 半导体基本器件及应用电路
§1.1 半导体材料及导电特性 §1.2 PN结原理
§1.3 晶体二极管及应用
§1.4 双极型晶体管
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1.1半导体材料及导电特性
引言 1.1 .1 本征半导体 1. 1 . 2 杂质半导体 1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流
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1.1半导体材料及导电特性
引言：
1.2.1 PN结的形成及特点
-
P -
E
-
-
+ + + +
+ + + +
N + + + +
+ + + +
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多子扩散运动 →空间电荷区↑ →内建电场 E↑
空间电荷区(space charge region) 漂移运动是一对矛盾运动的两个方面： 在 N 型和 P 型半导体的界面两侧，明显
（一）
一PN结的动态平衡过程和接触电位 显然半导体中多子的扩散运动和少子的 -
Ge:
ni=pi≈2.4× 1013/cm
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1. 1 . 2 杂质半导体（donor and acceptor impurities） 实际上， 制造半导体器件的材料并不是本征半导体， 而是人为地掺入一 定杂质成份的半导体
1 什么是杂质半导体：人为地掺入一定杂质成份的半导体
2
为什么要掺杂：提高半导体的导电能力
（二）P型半导体（P
4
4
3 P →（受主原子）→位于受主能级 室温 产生空位（位于价带） 型半导体中也有本征激发而产生电子空穴对，但由 于复合作用，电子数目很小，空穴的浓度远大于电子浓度。 T=300k
带负电离子与带正电空穴间有吸引力，即空穴是受束缚
4
3
4
P 型半导体： 多子 →空穴 少子 →电子
2 电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N型： ND表示施主杂质浓度，则：nn=ND+pn P型： NA表示受主杂质浓度， pp=NA+np 由于一般总有No>>pn NA>>np 所以有 N型：nn≈No 且： pn≈ ni2/ND 多子浓度 少子浓度 P型： pp≈NA np≈ ni2/NA 多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度ni2有关， 与温度无关 随温度升高而增加，是半导体 返回 元件温度漂移的主要原因
式中 DP 和 Dn 为空穴和电子扩散系数（单位 cm2/s）
x
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§1.2 PN结原理
1.2.1 PN结的形成及特点 1.2 .2 空间电荷区特点：
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§1.2 PN结原理
在一块 N 型半导体（or P type） ，用杂质补偿的方法掺 入一定数量的 3 价元素（or 5 价元素）将这一部分区域转换 成 P 型（或 N 型） ，则在它们的界面处便生成 PN 结。PN 结 是晶体二极管及其它半导体的基本结构，在集成电路中极其重 要。
S i(14)和 G e(32)因外 层都有 4 个价电子，由 于外层价电子受原子核 的束缚力小，许多物理 现象是由外层价电子数 决定，为了更方便研究 价电子的作用常把原子 核和内层电子看作一个 整体,称为惯性核。
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4
14
32
价电子
4
惯性核
1.1 .1 本征半导体（intrinsic semiconductor）
2 . 注意 ρ 的单位：Ω.cm
定义：
A cm 2 R .cm l cm
3 . 半导体具有的基本特性：
对 ρ 影响较大的因素：杂质 ，温度，光照
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1.1 .1 本征半导体 定义:没有杂质、纯净的单晶体称为本征半导体.
(一) 本征半导体的共价键结构 1 S i 、G e 原子结构模型
导带
Eg禁带
价带
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价带中产生一个空穴，但并不在导带中产 受 主 能 级 - - 生电子，而在晶格中留下一个负离子。负 离子不能自由移动，不起导电作用。
（三）杂质半导体中的载流子浓度
本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi 掺杂半导体中（N or P）→掺杂越多→多子浓度↑→少子浓度↓ 杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离→多子 本征激发→少子 由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系： 1 热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。 N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子） 则有 nn.pn=ni2 P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子） pp.np=ni2
１． 什么是半导体：电阻率 ρ 介于导体和绝缘体之间
固体按导电性能上可分为三类：
导体：
ρ＜10－4Ω.cm
如：金、银、铜、铝
绝缘体： ρ＞1012Ω.cm 如：云母、陶瓷 半导体: ρ=10－3~109Ω。Cm 如： 硅 Si(Silicon) ρ=105Ω.cm 锗 Ge(Germanium) ρ=4.7103Ω.cm 砷化镓 GaAs ρ=109Ω.cm
本征载流子浓度：ni=pi=AoT3/2exp(-Eg0 /2kT)
其中：Ao 为常数，与半导体材料有关： Si: Ao=3.88× 1016(cm-3.k-2/3)
Ge: Ao=1.76× 1016(cm-3.k-2/3)
k 为玻耳兹曼常数 k=1.38×10-23(J.k-1) 当 T=300k（室温） Si: ni=pi≈1.5× 1010/cm3
1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流
半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导 电电流。 引起载流子定向运动的原因有两种： 由于电场而引起的定向运动――漂移运动。（漂移电流） 由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动――扩散运动（扩散电流） （一）漂移电流（drift current） 在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压U，在电场E的作用 下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：
g
能 量 分 布 中 有 一 段 间 隙 不可 能 被 电 子 所 占
电子能量
每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个 E 一般与半导体材料和温度 T 有关： 原子都共用一对价电子。形成共价键结构。 T=0k (-273.160c) 时， T=300k （室温）
Eg0 (Si)=1.21 ev
导带
2 电子 空穴
Eg
可制作热敏元件
随机碰撞 （自由电子释放能量）电子空穴对消失 影响半导体器件的稳定性 复合
另外
3 本征激发
光照→ni(orpi) ↑→导电能力 ↑→
复合
动态平衡
是电子空穴对的两种矛盾运动形式。
可制作光电器件
在本征半导体中电子和空穴的浓度总是相等的
若设 ni 为电子浓度，pi 为空穴浓度
2 在共价键结构 S i 或 G e 单晶体中，价电子处于束
缚状态，其能量较低，处于较低的能带称为
当 S i（或 G e）原子组成单晶体后，各
4
4
4
原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间 价带。而自由电子处较高的能带称为导带。 靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要 由于价电子至少要获得 E g 的能量才能挣脱共 受相邻原子的作用， 价键的束缚成为自由电子，因此自由电子所
→多余电子→位于施主能级
T=300k
4
5 +5
4
（进入导带）成为自由电子
4 4
+
4
N 型杂质半导体的特点： 1、 与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并
不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由 移动，不起导电作用。
2、在室温下，多余电子全部被激发为自由靠电子导电。
a:空穴带正电量 b：空穴是半导体中所特有的带单位 空穴： 正电荷的粒子，与电子电量相等， 符号相反 c：空穴在价带内运动，也是一种带 电粒子。在外电场作用下可在晶体 内定向移动
电子能量
导带
Eg 禁带
价带
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（三）本征载流子（intrinsic carrier）浓度
电子 1 本征激发 空穴 由上式： T↑→ni(or pi)↑→导电能力↑
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（一）N型半导体（N
Type semiconductor）
4 4 4
在本征半导体中掺入 5 价元素的杂质 在 N 型半导体中：
（砷、磷、锑）就成为 N 型杂质半 自由电子→多数载流子（多子） 。且多数载流子浓度＞＞ni 导体。
杂质原子→能提供多余电子→称为施主杂质 空穴→少数载流子（少子） 室温 。 少数载流子浓度＜＜pi
4 4 4
2 本征激发：
T↑（or 光照）
自由电子载流子：带单位负电荷 空穴载流子 ：带单位正电荷 Eg
价电子获得能量 自由电子~位于导带 空穴 ~位于价带
4
4
4
在外电场作用下电子、空穴运动方向相反，对 电流的贡献是迭加的。
跃迁导带
4 4 4
注意： ①在本征激发（或热激发）中，电子、空穴成对产生
占有的最低能级要比价电子可能占有的最高
4 4 4
根据原子的理论：原子外层电子有 8 个才
4
4
4
能处于稳定状态。 能级高出 E g。于是 S i（或 G e）晶体中的 因此 S i（或 G e）单晶体每个原子都从四周
相邻原子得到 4 个价电子才能组成稳定状态。即
有。其宽度为 E g，称为禁带宽度。
空穴的平均漂移速度：vp=up.E
电子的平均漂移速度：vn=-un.E
E
○ ● ● ○ ○ ● ○○ ● ● ○
其中 up 和 un 为空穴和电子的迁移率
（单位电场强度下载流子的平均漂移速度）