《电子技术基础》-曾令琴-教学课件-5068

原子结构中： 正电荷
=
负电荷
半导体基础与常用器件
电子技术基础
（1） 导体 ）
导体的最外层电子数通常是1~3个，且距原子核较远， 因此受原子核的束缚力较小。由于温度升高、振动等外界 的影响，导体的最外层电子就会获得一定能量，从而挣脱 原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此，导体在 常温下存在大量的自由电子，具有良好的导电能力。常用 的导电材料有银、铜、铝、金等。
何谓杂质半导体中的多子 和少子 ？N型半导体中的多
子是什么？少子是什么？ 子是什么？少子是什么？ 自由电子导电和空 穴导电的区别在哪 里？空穴载流子的 形成是否由自由电 子填补空穴的运动 形成的？ 形成的？
P型半导体中的空穴 型半导体中的空穴 多于自由电子， 多于自由电子，是否 意味着带正电？
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硅原子和锗原子的简化模型图
半导体基础与常用器件
电子技术基础 天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经 过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。
晶格结构
＋4 ＋4 ＋4
实际上半导体的 晶格结构是三维 的。
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
共价键结构
本征半导体原子核最外层的价电子都是4个，称为四价元 素，它们排列成非常整齐的晶格结构。在本征半导体的晶格 结构中，每一个原子均与相邻的四个原子结合，即与相邻四 共价键结构。 个原子的价电子两两组成电子对，构成共价键结构
＋
原子核
内部几乎没有自由电子， 因此不导电。
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（3） 半导体 ）
半导体的最外层电子数一般为4个，在常温下存在的自 由电子数介于导体和绝缘体之间，因而在常温下半导体的 导电能力也是介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有硅、锗、硒等。
半导体的特点：
＋
原子核
导电性能介于导体和绝缘体之 间，但具有光敏性、热敏性和参 杂性的独特性能，因此在电子技 术中得到广泛应用。
N区
内电场
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电子技术基础 动画演示
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电子技术基础 PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的 漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结 果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了 少子的漂移运动：P区的少子电子向N区漂移，补充了交界 面上N区失去的电子，同时， N区的少子空穴向P区漂移， 补充了原交界面上P区失去的空穴，显然漂移运动减少了空 间电荷区带电离子的数量，削弱了内电场，使PN结变窄。 PN 最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的 宽度基本稳定，即PN结形成。
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电子技术基础 2. 半导体的独特性能 金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝 缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率 则在10-9~102s/cm量级。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导 体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的： 光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强； 光敏性 热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大； 热敏性 掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 掺杂性 能力极大地增强；
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1.1 半导体的基本知识
导体、 1. 导体、半导体和绝缘体 自然界的一切物质都是由分子、原子组成的。 原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的 带有负电的电子组成。 原子核中有质子和中子， 其中质子带正电 带正电，中子不带 电。
＋
原子核
绕原子核高速旋转的核外 电子带负电 带负电。 电子带负电。
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电子技术基础 不论是N型半导体还是P型半导体，其中的多子和少子的 移动都能形成电流。但是，由于多子的数量远大于少子的 数量，因此起主要导电作用的是多数载流子。 一般可近似认为多数载流子的数量与杂质的浓度相等。
注意： 掺入杂质后虽然形成了N型或P型半导体，但整个半
导体晶体仍然呈电中性。
电子技术基础
主编 曾令琴
电子技术基础
第1章 电子技术中常用半导体器件 第2章 基本放大电路 第3章 集成运算放大器 第4章 数字逻辑基础 第5章 逻辑门与组合逻辑电路 第6章 触发器 第7章 时序逻辑电路 第8章 存储器 第9章 数/模和模/数转换器 模和模/
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电子技术基础
1.1 半导体的基本知识 1.2 半导体二极管 1.3 特殊二极管 1.4 双极型三极管 1.5 单极型三极管
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4. 本征半导体
本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数 量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量 杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。
＋4 ＋4 ＋4
+
P ＋4 ＋4 ＋4
五价元素磷(P)
＋4 ＋4 ＋4
掺入磷杂质的硅半 导体晶格中， 导体晶格中，自由 电子的数量大大增 因此自由电子 加。因此自由电子 是这种半导体的导 是这种半导体的导 电主流。 电主流。
在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电 子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导 体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。
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电子技Байду номын сангаас基础
＋4
－ ＋4
＋4
+
B ＋4 ＋4 ＋4
三价元素硼(B)
＋4 ＋4 ＋4
掺入硼杂质的硅半 导体晶格中， 导体晶格中，空穴 载流子的数量大大 空穴是 增加。因此空穴 增加。因此空穴是 这种半导体的导电 这种半导体的导电 主流。 主流。
导体的特点：
＋
原子核
内部含有大量的自由电子
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（2） 绝缘体 ）
绝缘体的最外层电子数一般为6~8个，且距原子核较 近，因此受原子核的束缚力较强而不易挣脱其束缚。 常温下绝缘体内部几乎不存在自由电子，因此导电能 力极差或不导电。 常用的绝缘体材料有橡胶、云母、陶瓷等。
绝缘体的特点：
一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数 载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体 的导电能力可增强几十万倍。 掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自 由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。 在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电 子，而不能移动的离子带负电。
＋ ＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发 本征激发。 本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产 生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带 正电荷的离子。 由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参 与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。
PN结内部载流子基本为零，因此导电率很低，相当于介质。 但PN结两侧的P区和N区导电率很高，相当于导体，这一点和 电容比较相似，所以说PN结具有电容效应。
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4. PN结的单向导电性
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PN结反向偏置时的情况
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电子技术基础
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电子技术基础
＋4 ＋4 ＋4
＋4
＋4
＋4
自由电子载流子运动可以形 容为没有座位人的移动；空穴 载流子运动则可形容为有座位 的人依次向前挪动座位的运动。 半导体内部的这两种运动总是 共存的，且在一定温度下达到 动态平衡。
＋4
＋4
＋4
半导体的导电机理
半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别： 金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中 则是由本征激发产生的自由电子和复合运动产生的空穴两种 载流子同时参与导电 同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，电 流的方向为空穴载流子的方向即自由电子载流子的反方向。
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从共价键晶格结 构来看， 构来看，每个原 子外层都具有8 子外层都具有8个 价电子。但价电 价电子。 子是相邻原子共 用，所以稳定性 并不能象绝缘体 那样好。 那样好。 ＋4
＋ ＋4
＋4
在游离走的价电子原 位上留下一个不能移 动的空位，叫空穴。 动的空位，叫空穴。 受光照或温度上升 影响， 影响，共价键中价电 子的热运动加剧， 子的热运动加剧，一 些价电子会挣脱原子 核的束缚游离到空间 成为自由电子 自由电子。 成为自由电子。
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电子技术基础 1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度 非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很 大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓 学习与归纳 度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。
2. 半导体受温度和光照影响，产生本征激发现象而出现电子、空 穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现 的空穴中，产生价电子与空穴的复合。在一定温度下，电子、空 穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体 中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。 3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩 散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空 间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。 4. PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小 几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向 偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。
半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理 内部的导电机理所决定的。
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3. 本征半导体
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价 元素，即每个原子最外层电子数为4个。
+
Si(硅原子)
Si +4 Ge +4
+
Ge(锗原子)
因为原子呈电中性， 因为原子呈电中性，所 以简化模型图中的原子 核只用带圈的+4 +4符号表 核只用带圈的+4符号表 示即可。 示即可。
PN结的单向导电性
PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单 单 向 导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。 导电性
PN结中反向电流的讨论
由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而 且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加 电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反 向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结对 反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断 反向阻断作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致 电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增 长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设 计电路时，必须考虑温度补偿问题。
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＋4 受光照或温度 上升影响， 上升影响，共 价键中其它一 些价电子直接 跳进空穴 空穴， 跳进空穴，使 失电子的原子 重新恢复电中 性。 ＋4 ＋4 此时整个晶 体带电吗？ 体带电吗？ 为什么？ 为什么？
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
＋4
价电子填补空穴的现象称为复合 复合。 参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的 空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价 电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同 于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子 载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空 穴载流子运动。
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5. PN结及其形成过程
杂质半导体的导电能力虽然比本征半导体极大增强，但它 们并不能称为半导体器件。在电子技术中，PN结是一切半导 体器件的“元概念”和技术起始点。
PN结的形成 结的形成
空间电荷区
－ － － － + + + + + + +
P区
－ － －
+ + + － － － 在一块晶片的两端分别注入三价 元素硼和五价元素磷 + + + － － － － － － + + +
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学习目的与要求
了解本征半导体、 型和 型和N型半导体的特征 了解本征半导体、P型和 型半导体的特征 结的形成过程； 及PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性 结的形成过程 及其分类、用途； 及其分类、用途；理解三极管的电流放大原 掌握其输入和输出特性的分析方法； 理，掌握其输入和输出特性的分析方法；理 解双极型和单极型三极管在控制原理上的区 别；初步掌握工程技术人员必需具备的分析 电子电路的基本理论、 电子电路的基本理论、基本 知识和基本技能。 知识和基本技能。