模拟电路课件第一章

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1-2 PN结
PN结是半导体器件的核心，可以构成一 个二极管。
P
N
本征硅的一边做成P型半导体，一边做成 N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物 理层。——PN结
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1.2.1 PN结的形成
P 空间电荷区 N
++ +++ ++ +++ ++ +++
内电场 UB
由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子
两种信号
模拟信号 （Analog signal）:指幅度的取值
是连续的（幅值可由无限个数值表示）。声音、温度、 压力转化的电信号。时间上离散的模拟信号是一种抽 样信号。
数字信号 （Digital signal）：指幅度的取值
是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。如计 算机处理的二进制信号等。
空 穴 数 = 自由电子数 + 受主负离子
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三、杂质半导体的载流子浓度
多子的浓度 在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数 远大于本征激发的载流子数。 结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。
少子的浓度 少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会 随多子浓度的变化而变化。
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结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值 的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。
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思考题与习题
导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以 及集成电路制造中的作用？
说明半导体材料的特性及其应用 解释本征半导体、杂质半导体的区别？ 解释N型半导体与P型半导体的区别？ 为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？ 解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何
种因素决定的？
本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3 （4.4×1022㎝-3）。
室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之 19 一)受激发产生电子、空穴对。导电能力很弱。
1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体）
在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂 质），会使其导电性能发生显著变化。—— ——杂质半导体。
根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为 N型半导体和P型半导体。
涉及的基础知识广博：
高等数学、电路分析、信号与系统等，有人戏 称“魔鬼电路、模糊电路”之称。
注重动手能力：
培养硬件工程师，是一门经验性较强的学科， 精通模电的人才奇缺。
一门“工程应用性”课程：
有人说：“近似估算是电子电路的灵魂”、
“不会近似寸步难行”足以说明这个问题。
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学习“过三关”
第一关：“器件关”（入门基础） 第二关：“近似关”（工程估算的分析方法） 第三关：“动手关”（实践应用）
PN结呈现高阻性。
在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度
是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本
上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反
向饱和电流。
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PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较 大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现 高电阻，具有很小的反向漂移电流。 结论：PN结具有单向导电性。
形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域
称为空间电荷区（耗尽层）。
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PN 结的形成步骤
扩散运动
离子电荷区形成
扩散运动
漂移运动
（一定宽度） 空间电荷区
PN结又称为势垒区、阻挡层。
PN结很窄（几个到几十个 m)。
内电场建立 动态平衡
PN结
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问题：达到动态平衡时，在 PN结流过的总电流为 多少，方向是什么？
硅原子（Silicon） 锗原子（Germanium）
284
+s1i4
2 8 18 4
GG+3e2e
惯性核 电子
+4
硅原子
锗原子
图1.1.1 常见半导体材料的原子结构和简化模型 10
+4
价
电
子
+4
+4
共 价 键
+4
图1.1.2 单晶硅和锗共价键结构示意图
本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本 征半导体。
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二、P型半导体（Positive type）
+4
束缚电子
+4
空 位
+4
+3
在P型半导体中：
三价原子 受主原子
空穴——多数载流子，简称多子；
自由电子——少数载流子，简称少子。 25
二、P型半导体（Positive type）
+4
束缚电子
+4
空 位
+4
+3
三价原子 受主原子
P型半导体是电中性的。
征
激
发
产
生 电
+4
+4
子
和
空
穴
复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价
电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，
这一过程称为复合。
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本征激发:一分为二，载流子浓度增加。 复合: 合二为一，载流子浓度减少。 载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越 多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电 子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状 态，使本征半导体中载流子的浓度一定。
A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝
-3· K，32 锗为1.76×1016㎝-3· K）32。
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本征载流子浓度：
ni

pi

A T e 3/ 2 EG 0 / 2kT 0
1、对温度非常敏感：随着T的增加，载流子浓度按 指数规律增加。
2、导电能力如何？
在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子 浓度=1.43×1010㎝-3（2.38×1013㎝-3），
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二、 PＮ结加反向电压
P
耗尽区
+
+
+
-
U
动画演示
N
++++ ++++ ++++
内电场
+
UB +U
E 图1-10 反向偏置的PN结 R
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PN结加反向电压
外加的反向电压大部分降落在PN结区，方向与PN 结内电场方向相同，加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大 减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂 移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。
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 。 30
小结
1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体 内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一 种载流子少。
2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度 几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有 关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。
发
空
子
产 生
穴
电 子
+4
+4
和
空
穴
在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得
一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的
束缚变成自由电子——本征激发。
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1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。
2、一个空穴的运动实际上是许多价电子作相反运动的结
果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的
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本征载流子浓度：
ni

pi

A T e 3/ 2 EG 0 / 2kT 0
式中：
ni、pi ——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）； T——为热力学温度（K）；
EG0为T= 0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为 1.21eV，锗为0.78eV）；
k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）；
[4] 谢嘉奎. 电子线路[M]（非线性部分）(第四
版）.北京：高等教育出版社,1999（2004年印
刷）.
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第一章 晶体二极管及其基本电路
1-1 半导体物理基础知识
导体 物质 半导体
绝缘体
半导体的特性：
1．导电能力介于导体和绝缘体之间；
2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而
发生显著变化。
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１-１-１ 本征半导体 一 本征半导体硅和锗的共价键结构
电场作用下的漂移电流 两种类型的电流
浓度差导致的扩散电流
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对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同， 则耗尽区相对界面对称，称为对称结
不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺 杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），这样 形成的PN结称为不对称结
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
(a)
(b)
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此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，
问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？
答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的 排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离 子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所 以会伸向轻掺杂区。
耗尽 区
耗尽 区
P＋
N
P
N＋
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(a)
(b)
1.2.2 PN结的单向导电特性
P
耗尽区
动画演示 N
++ +++ ++ +++ + + +++