半导体基础知识
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当V2=|UOFF|时，顶部沟道夹断，IN达到达到饱和值。
当V2＞ |UOFF|时，夹断区延长，直流电阻继续增加。但 IN=INS不再增大。微变电阻rN=V2 /IN=。
模拟电子技术基础
前言
1. 本课程的性质
本课程是入门性质的技术基础课 。
2. 本课程的特点
1) 工程性 ➢ 实际工程需要证明其可行性 强调定性分析
➢ 实际工程在满足基本性 能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。
电子电路的定量分析 称为“估算”
➢ 近似分析要“合理” 抓主要矛盾和矛盾的主要方 面
模拟电子技术基础
本征半导体中的两种载流子
外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。总电流？
绝对温度0K时，本征半导体 不导电。温度升高，热运动加剧， 载流子浓度增大，不导电性变差。
为什么要将半导体变成导 电性很差的本征半导体？
由于室温下，3.42×1012个硅 原子中才有一个电子空穴对，载 流子数目很少，本征半导体基本 不导电。
1) 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验 技能
2) 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力， 以及将所学知识用于本专业的能力。
建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和 创新意识。
武汉大学 电气工程学院YTZ
模拟电子技术基础
6. 考查方法
1、会看：定性分析 考查分析问题的能力
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模拟电子技术基础
3. 杂质半导体
N型半导体
5
施主原子浓度ND ，少数载流 子浓度p ，则多数载流子的浓度
n = p + ND
N型杂质半导体主要靠多子 自由电子导电。掺入杂质越多， 自由电子浓度越高，导电性越 强。
杂质半导体的导电能力具有 可控性。---改变掺杂浓度
磷（P）
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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模拟电子技术基础
1.2 PN结的单向导电性
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。
半导体－－硅14（Si）、锗32（Ge），均为四价元素，它们 原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。
本征半导体中的自由电子浓 度ni和空穴浓度pi总是相等的
ni = pi 电子空穴对是随机出现的， 其位置不固定。
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。
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➢ 电子电路归根结底是电路 估算不同的参数需采用不同的 模型，可用电路的基本理论分析 电子电路。
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模拟电子技术基础
2) 实践性：实用的模拟电子电路几乎都需要进行 调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法：
➢ 常用电子仪器的使用方法 ➢ 电子电路的测试方法 ➢ 故障的判断与排除 ➢ EDA软件的应用
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模拟电子技术基础
4. 学习方法
1) 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 ➢ 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万 变不离其宗”。 ➢ 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种 多样的。 ➢ 基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标 和描述方法，因而有不同的分析方法。
1. PN结的形成
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液 体、固体均有之。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区 的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。
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模拟电子技术基础
1. PN结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴向P区、自由 电子向N 区运动。
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模拟电子技术基础
3.电子系统及教学内容安排
传感器 接收器
隔离、滤波 放大、阻抗 变换
运算、转 换、比较
功率放大
1） 半导体基础知识 2） 半导体基本元件 3） 基本放大电路
4） 组合放大电路 5） 模拟集成电路 6） 负反馈放大电路
7） 信号处理电路 8） 信号产生电路 9） 直流稳压电源
电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。
PN结加反向电压时的导电情况
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模拟电子技术基础
PN结的反向特性
反向偏置时，扩散电流 小于漂移电流，二者之差 就是反向电流IR。
PN结在正、反向电压相 同的条件下，反向电流为 什么比正向电流小很多？
PN结截止用电阻怎么描述？反向电压升高电阻如何变化？
教学基本要求： 1、何为半导体？半导体有什么特点？ 2、何为PN结？PN结的单向导电性是如何实现的？
这一 特性有几种描述方法？ 3、半导体导电能力是否可控？有几种实现方法？
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模拟电子技术基础
1.1 半导体
1.何为半导体？
就是导电能力介于导体和绝缘体之间的某个物体称为半导体。
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模拟电子技术基础
硅、锗的原子结构模型
原子结构简化模型
在外电场作用下，物体中能够移动的自由电子越多导电能 力越强；移动中所受阻力越小导电能力越强。
自由电子的多少与电子层数和最外层电子数有关，从硅和锗的 原子结构看，锗材料的导电性比硅强，硅的不导电性比锗材料好。
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模拟电子技术基础
PN结方程及伏安特性曲线
据相关文献的理论分析，PN结上的外加电压u和电流i之
间的关系可表达为
i IS (eu /UT 1)
IS 为反向饱和电流，UT =kT/q 称为温度的电压当量，其中k为 玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相 当T=300 K），则有UT=26 mV。
受主杂质
多数载流子
在杂质半导体中，温度变化 时，载流子的数目变化吗？少 子与多子变化的数目相同吗？ 少子和多子浓度的变化相同吗？
p×n = pi ×ni = pi2 = ni 2
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模拟电子技术基础
杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:
内电场、势垒区、耗尽层
扩散形成的电流称 扩散电流，漂移形成 的电流称漂移电流。
因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。
在PN结形成过程中， 扩散电流、漂移电流 是如何变化的？
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模拟电子技术基础
1. PN结的形成
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。
施主杂质
多数载流子
在N型杂质半导体中，空 穴的数目比未加杂质时的数 目多了？少了？
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模拟电子技术基础
P型半导体
3
受主原子浓度NA ，少数载流 子浓度n ，则多数载流子的浓度
p = n + NA
P型半导体主要靠多子空穴 导电，掺入杂质越多，空穴浓 度越高，导电性越强，
硼（B）
耗尽层的导电能 力？用电阻怎么描 述？
温度变化、掺杂浓度不同、材料不同对PN结厚度有什 么影响？
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模拟电子技术基础
2. PN结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，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。
使PN结变窄的偏置称正 向偏置，对应的偏置电压、 电流称正向电压和正向电 流。
若正向电压u ＞＞ 指数规律变化。
UT
，
i
ISeu /UT
电流 i 随电压 u 按
若反向电压u ＜＜ UT ，则 i IS，负号表示为反 向电流。
PN结还可用伏安特性曲线来描述： UBR称为反向击穿电压
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模拟电子技术基础
3. PN结的反向击穿
当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突 然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。
阻值近似Βιβλιοθήκη Baidu穷大，沟道截止，此时
沟道能流过的电流近似为零。
截止 武汉大学 电气工程学院YTZ
模拟电子技术基础
2. 导电沟道的自闭性
变化中的导电沟道
导电沟道不仅受V1控制，还受 V2影响。为确保导电沟道可控， PN结应正向偏置，故V2应为正电 源。
V1=0初始导电沟道最宽，随着V2和IN的增加，会在导电 沟道上形成上高下低的电位梯度分布，即PN结的反偏电压上 大下小，使得PN结上宽下窄。
8. 参考书
辅导博士：
4、5、6班 1、2、3班
康华光主编，《电子技术基础》 模拟部分；第六版， 高教出版社
童诗白主编，《模拟电子技术基础》 第四版，高教出
版社
QQ群号：320895951
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模拟电子技术基础
1 半导体基础知识
1.1 半导体 1.2 PN结的单向导电性 1.3 半导体导电的可控性
电击穿
何为热击穿？何为可逆击穿？
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模拟电子技术基础
4. PN结的电容效应
1）势垒电容 PN结外加反向电压变化时，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，其等效电容为扩散电容Cd。
2) 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 ➢ 根据需求，最适用的电路才是最好的电路， ➢ 要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。
3) 注意电路中常用定理在电子电路中的应用。
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模拟电子技术基础
5. 学习目的
本课程通过对常用电子器件、模拟电路及其系统的分 析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基本 知识、基本理论和基本技能，为深入学习电子技术及其 在专业中的应用打下基础。
正向偏置时，扩散电流 大于漂移电流，二者之差 就是正向电流IF。
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模拟电子技术基础
PN结的正向特性性
PN结加正向电压时的导电情况
PN结导通用电阻怎么描述？正向电压升高电阻如何变化？
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模拟电子技术基础
PN结的反向特性性
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移
2、会算：定量计算 3、会选：电路形式、器件、参数
考查解决问题的能力－－设计能力 4、会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA
考查解决问题的能力－－实践能力
综合应用所学知识的能力
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模拟电子技术基础
7. 成绩评定
平时： 作业 10% 考勤 10% 期中测验 10 %
考试： 70%
模拟电子技术基础
2. 本征半导体 无杂质 稳定的结构
本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。
共价键
由于热运动，具有足够能量的价 电子挣脱共价键的束缚而成为自 由电子，这一过程称热激发。
自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
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模拟电子技术基础
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模拟电子技术基础
1.3.1 耗尽型导电沟道
1. 导电沟道的开关特性
N型导电沟道
当V1=0时，初始导电沟道最宽、
导通
沟道阻值最小，沟道导通，此时沟
道能流过的最大电流为饱和电流。
V1为控制回路的控制电源， V2为受控回路的工作电源。
当V1<UOFF 夹断电压时，两PN 结重合，初始导电沟道为零、沟道
掺杂浓度高，耗尽层易形成强电场。在不太大的外加 电压作用下，能把价电子从共价键中“拉出来”，产生电 子空穴对，引起电流急剧增加。该击穿称为齐纳击穿。
大的外加电压，会形成较宽的耗尽层。漂移的少子在 获得足够的能量后，撞击共价键，产生电子空穴对，引起 电流急剧增加。该击穿称为雪崩击穿。
雪崩击穿 齐纳击穿
结电容对PN结的单向导电有何影响？
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1.3 半导体导电的可控性
杂质半导体的导电能力不仅能用掺杂浓度来调节，也 可用两个PN结来对其进行控制。
1.3.1 耗尽型导电沟道
N型导电沟道
基本原理：利用PN结消耗导 电沟道里的多数载流子，进而实 现对导电能力的控制。
当V2＞ |UOFF|时，夹断区延长，直流电阻继续增加。但 IN=INS不再增大。微变电阻rN=V2 /IN=。
模拟电子技术基础
前言
1. 本课程的性质
本课程是入门性质的技术基础课 。
2. 本课程的特点
1) 工程性 ➢ 实际工程需要证明其可行性 强调定性分析
➢ 实际工程在满足基本性 能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。
电子电路的定量分析 称为“估算”
➢ 近似分析要“合理” 抓主要矛盾和矛盾的主要方 面
模拟电子技术基础
本征半导体中的两种载流子
外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。总电流？
绝对温度0K时，本征半导体 不导电。温度升高，热运动加剧， 载流子浓度增大，不导电性变差。
为什么要将半导体变成导 电性很差的本征半导体？
由于室温下，3.42×1012个硅 原子中才有一个电子空穴对，载 流子数目很少，本征半导体基本 不导电。
1) 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验 技能
2) 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力， 以及将所学知识用于本专业的能力。
建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和 创新意识。
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6. 考查方法
1、会看：定性分析 考查分析问题的能力
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3. 杂质半导体
N型半导体
5
施主原子浓度ND ，少数载流 子浓度p ，则多数载流子的浓度
n = p + ND
N型杂质半导体主要靠多子 自由电子导电。掺入杂质越多， 自由电子浓度越高，导电性越 强。
杂质半导体的导电能力具有 可控性。---改变掺杂浓度
磷（P）
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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1.2 PN结的单向导电性
导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。
绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。
半导体－－硅14（Si）、锗32（Ge），均为四价元素，它们 原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。
本征半导体中的自由电子浓 度ni和空穴浓度pi总是相等的
ni = pi 电子空穴对是随机出现的， 其位置不固定。
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。
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➢ 电子电路归根结底是电路 估算不同的参数需采用不同的 模型，可用电路的基本理论分析 电子电路。
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模拟电子技术基础
2) 实践性：实用的模拟电子电路几乎都需要进行 调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法：
➢ 常用电子仪器的使用方法 ➢ 电子电路的测试方法 ➢ 故障的判断与排除 ➢ EDA软件的应用
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4. 学习方法
1) 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 ➢ 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万 变不离其宗”。 ➢ 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种 多样的。 ➢ 基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标 和描述方法，因而有不同的分析方法。
1. PN结的形成
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液 体、固体均有之。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区 的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。
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模拟电子技术基础
1. PN结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴向P区、自由 电子向N 区运动。
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3.电子系统及教学内容安排
传感器 接收器
隔离、滤波 放大、阻抗 变换
运算、转 换、比较
功率放大
1） 半导体基础知识 2） 半导体基本元件 3） 基本放大电路
4） 组合放大电路 5） 模拟集成电路 6） 负反馈放大电路
7） 信号处理电路 8） 信号产生电路 9） 直流稳压电源
电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。
PN结加反向电压时的导电情况
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模拟电子技术基础
PN结的反向特性
反向偏置时，扩散电流 小于漂移电流，二者之差 就是反向电流IR。
PN结在正、反向电压相 同的条件下，反向电流为 什么比正向电流小很多？
PN结截止用电阻怎么描述？反向电压升高电阻如何变化？
教学基本要求： 1、何为半导体？半导体有什么特点？ 2、何为PN结？PN结的单向导电性是如何实现的？
这一 特性有几种描述方法？ 3、半导体导电能力是否可控？有几种实现方法？
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模拟电子技术基础
1.1 半导体
1.何为半导体？
就是导电能力介于导体和绝缘体之间的某个物体称为半导体。
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模拟电子技术基础
硅、锗的原子结构模型
原子结构简化模型
在外电场作用下，物体中能够移动的自由电子越多导电能 力越强；移动中所受阻力越小导电能力越强。
自由电子的多少与电子层数和最外层电子数有关，从硅和锗的 原子结构看，锗材料的导电性比硅强，硅的不导电性比锗材料好。
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模拟电子技术基础
PN结方程及伏安特性曲线
据相关文献的理论分析，PN结上的外加电压u和电流i之
间的关系可表达为
i IS (eu /UT 1)
IS 为反向饱和电流，UT =kT/q 称为温度的电压当量，其中k为 玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相 当T=300 K），则有UT=26 mV。
受主杂质
多数载流子
在杂质半导体中，温度变化 时，载流子的数目变化吗？少 子与多子变化的数目相同吗？ 少子和多子浓度的变化相同吗？
p×n = pi ×ni = pi2 = ni 2
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杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:
内电场、势垒区、耗尽层
扩散形成的电流称 扩散电流，漂移形成 的电流称漂移电流。
因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。
在PN结形成过程中， 扩散电流、漂移电流 是如何变化的？
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1. PN结的形成
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。
施主杂质
多数载流子
在N型杂质半导体中，空 穴的数目比未加杂质时的数 目多了？少了？
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P型半导体
3
受主原子浓度NA ，少数载流 子浓度n ，则多数载流子的浓度
p = n + NA
P型半导体主要靠多子空穴 导电，掺入杂质越多，空穴浓 度越高，导电性越强，
硼（B）
耗尽层的导电能 力？用电阻怎么描 述？
温度变化、掺杂浓度不同、材料不同对PN结厚度有什 么影响？
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2. PN结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，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。
使PN结变窄的偏置称正 向偏置，对应的偏置电压、 电流称正向电压和正向电 流。
若正向电压u ＞＞ 指数规律变化。
UT
，
i
ISeu /UT
电流 i 随电压 u 按
若反向电压u ＜＜ UT ，则 i IS，负号表示为反 向电流。
PN结还可用伏安特性曲线来描述： UBR称为反向击穿电压
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3. PN结的反向击穿
当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突 然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。
阻值近似Βιβλιοθήκη Baidu穷大，沟道截止，此时
沟道能流过的电流近似为零。
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2. 导电沟道的自闭性
变化中的导电沟道
导电沟道不仅受V1控制，还受 V2影响。为确保导电沟道可控， PN结应正向偏置，故V2应为正电 源。
V1=0初始导电沟道最宽，随着V2和IN的增加，会在导电 沟道上形成上高下低的电位梯度分布，即PN结的反偏电压上 大下小，使得PN结上宽下窄。
8. 参考书
辅导博士：
4、5、6班 1、2、3班
康华光主编，《电子技术基础》 模拟部分；第六版， 高教出版社
童诗白主编，《模拟电子技术基础》 第四版，高教出
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QQ群号：320895951
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1 半导体基础知识
1.1 半导体 1.2 PN结的单向导电性 1.3 半导体导电的可控性
电击穿
何为热击穿？何为可逆击穿？
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4. PN结的电容效应
1）势垒电容 PN结外加反向电压变化时，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，其等效电容为扩散电容Cd。
2) 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 ➢ 根据需求，最适用的电路才是最好的电路， ➢ 要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。
3) 注意电路中常用定理在电子电路中的应用。
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5. 学习目的
本课程通过对常用电子器件、模拟电路及其系统的分 析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基本 知识、基本理论和基本技能，为深入学习电子技术及其 在专业中的应用打下基础。
正向偏置时，扩散电流 大于漂移电流，二者之差 就是正向电流IF。
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模拟电子技术基础
PN结的正向特性性
PN结加正向电压时的导电情况
PN结导通用电阻怎么描述？正向电压升高电阻如何变化？
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模拟电子技术基础
PN结的反向特性性
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移
2、会算：定量计算 3、会选：电路形式、器件、参数
考查解决问题的能力－－设计能力 4、会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA
考查解决问题的能力－－实践能力
综合应用所学知识的能力
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模拟电子技术基础
7. 成绩评定
平时： 作业 10% 考勤 10% 期中测验 10 %
考试： 70%
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2. 本征半导体 无杂质 稳定的结构
本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。
共价键
由于热运动，具有足够能量的价 电子挣脱共价键的束缚而成为自 由电子，这一过程称热激发。
自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
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1.3.1 耗尽型导电沟道
1. 导电沟道的开关特性
N型导电沟道
当V1=0时，初始导电沟道最宽、
导通
沟道阻值最小，沟道导通，此时沟
道能流过的最大电流为饱和电流。
V1为控制回路的控制电源， V2为受控回路的工作电源。
当V1<UOFF 夹断电压时，两PN 结重合，初始导电沟道为零、沟道
掺杂浓度高，耗尽层易形成强电场。在不太大的外加 电压作用下，能把价电子从共价键中“拉出来”，产生电 子空穴对，引起电流急剧增加。该击穿称为齐纳击穿。
大的外加电压，会形成较宽的耗尽层。漂移的少子在 获得足够的能量后，撞击共价键，产生电子空穴对，引起 电流急剧增加。该击穿称为雪崩击穿。
雪崩击穿 齐纳击穿
结电容对PN结的单向导电有何影响？
武汉大学 电气工程学院YTZ
模拟电子技术基础
1.3 半导体导电的可控性
杂质半导体的导电能力不仅能用掺杂浓度来调节，也 可用两个PN结来对其进行控制。
1.3.1 耗尽型导电沟道
N型导电沟道
基本原理：利用PN结消耗导 电沟道里的多数载流子，进而实 现对导电能力的控制。