线性电子线路(谢嘉奎)第四版第一章课件

ni pi AT e 2kT
3 2
Eg 0
ni pi AT e 2kT
式中，浓度单位为cm ， A——常量 （硅：3.88×1016 cm-3K-3/2，锗：1.76×1016cm-3K-3/2） T——热力学温度
-3
3 2
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Eg 0
k——是玻尔兹曼常数（8.63×10-5 eV/K），
+4
+4
自由电子
说明：本征半导体自由电子和空穴都可以导电，但导电能 力很弱 （原因? ）
几点认识
在电场力作用下，载流子定向移动形成电流，因此 本征半导体中电流由两部分组成： 1）自由电子移动产生的电流 2）空穴移动产生的电流 本征半导体的导电能力与载流子的浓度成正比 原因?
j rv
j电流密度，r带电粒子密度，v粒子平均速度 温度越高，载流子的浓度越高（原因？），本征半导 体的导电能力越强。 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，是半 导体的一大特点。
二、半导体的独特性质 1.掺杂性：r 受“掺杂”影响大 往纯净的半导体中掺入某些“杂质”，会使它的 导电能力明显改变。
2. 热敏性：r 随温度上升而下降
30到40℃，半导体电阻率减小一半，导体铜从 30到100℃，增加不到1倍
3. 光敏性：r 随光照的增强而下降 当受外界光照时，它的导电能力明显变化 说明：利用半导体材料的热敏性和光敏性，可以制成各 类传感器
§1 半导体的基本知识
§ 1.1 PN结
一、物质的分类 金属导体： r < 10-4W· cm，最外层电子1~2个 绝 缘 体： r > 1010W· cm 半 导 体： 导电能力介于导体和绝缘体之间的物 质称半导体
说明：1）硅和锗是半导体器件中常用的半导体材料 2）半导体材料得以广泛应用起因于其独特性质
§1.1.1 本征半导体
一、本征半导体的结构特点 半导体材料中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
原子序数32
Si
Ge
原子序数14
说明：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成排列整 齐，结构规则的晶体。
一、本征半导体的结构特点
Si
Ge
原子序数14
原子序数32
常表示为：惯性核（原子实）+ 价电子
例1-2-1 本征硅半导体掺入浓度5×1014cm-3施主杂质后， 当T=300K时，其多子浓度和少子浓度各为多少；温度上 升到500K又如何？ 3 Eg 0 先判别是否满足近似条件 ni pi AT 2 e 2kT 1.431010 cm3
Nd 5 1014 cm3 1.431010 cm3
→
+4
+4
形成共价键后，每个原子的最外层电子 都是8个，构成稳定结构。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在 共价键中，称为束缚电子。
+4
+4
常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本 征半导体中的自由电子密度很小，导电能力很弱。
三、本征半导体的导电机理 1. 载流子、空穴、本征激发 在绝对0度（T=0K）或没有外界激发时，价电子完 全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电 粒子，完全没有导电能力，相当于绝缘体。
二、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），晶体点阵中的某些半导体原子被硼取代（不能移 动），硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。 +4 +4 这个空穴容易吸引束缚电 子来填补，使得中性硼原子成 为不能移动的带负电的离子。 空 +4 +3 由于硼原子接受电子，所 穴
+4 +4
+5
+4
磷原子
一、N 型半导体
1. 施主原子 多出的电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由 电子，这样中性磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子，称为施主原子（Donor）， 相应的掺杂元素称施主杂质。 多余电子
+4 +4
说明：多出的电子几乎不受束 缚，是指（1）不受共价键束 缚；（2）受惯性核吸引很弱
概 述
自我介绍 电子线路：包含电子器件、并能对电信号实现某种处 理的功能电路 电路组成：电子器件+外围电路 电子器件：二极管、三极管、场效应管、集成电路等 外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源电路等 话筒 放大器 扬声器
课程地位：专业基础课（主干课） 半导体基础知识（一、二、三章） 基本放大电路（第四章） 课程内容： 反馈放大器（第五章） 运算放大器（第六章） 课程难易度：不简单 要求与希望： 掌握典型电路的组成、工作原理、性能特点和分析计 算方法。获得电子线路方面的基本理论、基本知识和基 本技能，为今后学习其他专业课打好基础。 具体做法： （1）学习过程中勤学多问，贵在坚持 （2）时间上要抓紧，抓而不紧，等于不抓
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
N 型半导体 不能移动的离子 P 型半导体
示意图关键：去掉惯性核与4个价电子的剩余部分
四、杂质半导体中载流浓度计算 n0 N d p0 N d （电中性方程） N型半导体 n0 p0 ni pi ni2 （热平衡条件） n0：杂质半导体自由电子浓度， p0：杂质半导体空穴浓度 ni：热平衡载流子浓度，Nd：施主杂质浓度（电离后带正电） 热平衡条件：温度一定时，两种载流子热平衡浓度值的乘 积，等于本征载流子浓度值ni的平方 说明：由T计算ni，判别是否满足近似条件得n0，满足求p0 同理 p0 N a n0 N a P型半导体 p0n0 ni pi ni2 注意近似条件 Na为受主杂质浓度
+5
+4
2. 掺杂对导电性能的影响 （1）由施主原子提供的自由电子浓度 每个施主原子，提供一个自由电子，其浓度与施主 原子浓度相同 （2）施主浓度与本征浓度比较 设掺杂浓度为百万分之一，即10-6，其浓度为
4.961022 cm3 106 4.961016 cm3 1.431010 cm3 （3）掺杂对导电性能的影响 自由电子浓度近似为掺杂浓度，使导电能力大大增 强，掺杂百万分之一，导电能力可以提高一百万倍
惯性核
+4
价电子
为什么硅和锗都可以这样表示？
二、本征半导体 制造半导体器件的半导体材料是化学成分非常纯净， 纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。在结构上以 共价键结构形成的晶体形态。 硅和锗的共价键结构 +4表示除去价电 子后的原子
+4
+4
共用电子对形 成共价键
+4
+4
通过晶体生长工艺，使原子排列规则， 形成共价键结构的晶体。
二、扩散与扩散电流 因浓度差引起的载流子的定向移动称扩散运动，相 应的电流称扩散电流。电子与空穴电流密度分别为
J nd J pd dn( x ) dn( x ) ( q ) Dn qDn dx dx dp( x ) qDp dx
Dn、Dp分别是自由电子和空穴的扩散系数，随温度升 高而增大。dn(x)/dx、dp(x)/dx分别为自由电子和空穴 的沿x方向的浓度梯度，即沿x 方向的浓度差的变化率 注意：漂移电流与电场强度成正比，扩散电流与浓度梯 度成正比
ni2 p0 4.09105 cm3 n0
n0 N d 5 1014 cm3
T=500K，热平衡载流子浓度
pi 3.531014 cm3
远大于条件不满足，需解方程
n0 p0 ni2
n0 N d p0
否则当pi>Nd时，会出现少子浓度大于多子浓度的矛盾 注意：教材4版P7“多子浓度几乎与温度无关”应是有条件成立
主要参考书
[1] 谢嘉奎主编.《电子线路 线性部分 4版》.北京：高 等教育出版社，1999 [2] 童诗白编.《模拟电子技术基础，4版》.北京：高等 教育出版社，2001 [3] 康华光编.《电子技术基础（模拟部分），5版》.北 京：高等教育出版社，2006 [4] 汪胜宁，程东红编.《电子线路（第四版）》教学指 导书，高等教育出版社，2003
以称为受主原子(Acceptor)
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子
硼原子
二、P 型半导体 说明：掺入3价元素的半导体中，多数载流子是空穴，带 正电，用P表示，称为空穴型半导体，也称为P型 半导体。
三、杂质半导体的示意图表示法
+ + + + + + － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
（4）多数载流子与少数载流子概念 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电 子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（简称多 子），空穴称为少数载流子（少子）。
2. 掺杂对导电性能的影响 （5）杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 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。
（6）多子和少子同时参与导电，但起主导作用的是多 子，当多子是电子，用N表示，称为N型半导体 （7）N型半导体中的少数载流子（空穴），与本征半导 体中的空穴联系
掺杂后，杂质半导体中空穴p0应该比本征半导体中 pi数目为少。为什么？ （8）室温下，多子浓度取决于与掺杂浓度，少子浓度 取决于温度 注意条件：室温
4.热平衡载流子的浓度 在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反 的过程，当温度一定时，两种状态达到动态平衡，即本 征激发产生的电子——空穴对，与复合的电子——空穴 对数目相等，这种状态称为热平衡状态。 本征半导体在热平衡状态下中自由电子和空穴的载 流子的浓度是一定的，分别用浓度（单位体积中载流子 的数目）ni和pi来表示，并且自由电子的浓度和空穴的浓 度相等。根据半导体物理中的有关理论，可以证明
3.本征激发和复合 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现 的，称为电子-空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合
本征激发
+4 +4 +4
+4
+4 +4
+4 +4 +4
复合
本征激发数目越多，复合量 越大，使得本征激发数目减 少；这又使得复合减少。 最终，在一定温度下达到动态平衡
3 2
Eg 0
§1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入三价或五价元素，会使半导体的 导电性能发生显著变化。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少 量的五价元素磷，晶体点阵 中的某些半导体原子被杂质 取代，磷原子的最外层有五 个价电，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必 定多出一个电子 多余电子
1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散 一、漂移与漂移电流 外加电场作用下的载流子的定向移动称漂移，相应 的电流为漂移电流，漂移电流密度 Jt=Jpt+Jnt=q(pmp+nmn)E
p、n分别是空穴和自由电子的浓度，q为每个粒子的电量， E是外加电场，mp、mn则分别是空穴和自由电子的迁移率， 表示单位电场强度作用下的平均漂移速度，与温度、载 流子性质、半导体材料以及掺杂浓度等有关。 说明：Jt=Jpt+Jnt=q(pmp+nmn)E公式与 j rv 本质相同
载流子——运载电荷的可流动粒子→带电的可移动粒子 在常温下，有一些价电子获得足够的能量而脱离共 价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空 位，称为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。
2.本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自 由电子和空穴。 在静电力的作用下，空穴 吸引附近的电子来填补。 +4 +4 这样的结果相当于空穴的 迁移，而空穴的迁移相当 于正电荷的移动，因此可 以认为空穴是载流子。
Eg0 ——T=0 K（即-273℃）时的禁带宽度，导带与价 带间的距离（硅为1.21 eV， 锗为0.785 eV） 该公式的核心是什么？ 载流子浓度是温度的函数
ni pi AT e 2kT
公式表明，本征半导体的载流子浓度和温度、材料有关。 将相关参数带入公式中，可以得到300K时硅的 ni=1.43×1010cm-3 (教材给出1.5×1010cm-3,不准确）。 由此可以看到，尽管本征半导体在室温情况下具有一 定的导电能力，但是，本征半导体中载流子的数目远小于 原子数目（硅：4.96×1022cm-3），因此本征半导体的导 电能力很低。 结论：室温下本征半导体的导电能力非常弱 说明：本征半导体的导电能力随温度升高，增加很快 硅，500K时：ni=3.53×1014cm-3， 600K时 ： ni=4.81×1015cm-3