模拟电路第一章常用半导体器件

n≈ 5.1×1014 /cm3 p = ni2 / n
= (1.43 ×1010 )2 / 5.1×1014
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= 4.1 ×105 /cm3
1.1 半导体基础知识
掺杂前后的电子和空穴浓度对比
电子浓度 空穴浓度 电子+空穴
掺杂前
1.43 ×1010 1.43 ×1010 2.86 ×1010
第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管
1.1 半导体基础知识
在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们 划分为导体、绝缘体和半导体(Semiconductor)。
i f(u )| B 铜导线(左上)、玻璃绝缘
体(左下)和硅晶体(上)
BE UCE常数
P型半导体
+4
+4
+4
+4
+4
+4
施主原子
受主原子
+4
+5
+4
+4
+3
+4
自由电子
空穴
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在N型半导体中，自由电子数目远多于空穴数目 电子为多数载流子(majority carrier)，简称：多子 空穴为少数载流子(minority carrier)，简称：少子
❖ P型半导体刚好相反，电子为少子，空穴为多子 2020/9/18 ❖ 思考：本征半导体中存在多子少子吗？
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1.1 半导体基础知识
4. 电子空穴的复合
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
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1.1 半导体基础知识
4. 电子空穴的复合
当自由电子填补共价键中的空
位(空穴)时，自由电子就会释放
+4
+4
+4
能量，又形成共价键。
这个过程叫电子空穴的复合
+4
+4
+4
释放
❖ 在一定温度下，本征激发和复
当相邻位置的价电子填补空穴时， 在原来空穴位置形成共价键，而在 原来价电子的位置形成空穴。这个 过程叫空穴的移动，空穴移动方向
+4
+4
+4
+4
+4
+4
与价电子移动方向相反。 ❖ 空穴带一个单位的正电荷
+4
+4
+4
❖ 当不加外电场时，空穴的填补无规则
❖ 当外加电场时，空穴的填补也会定向
❖ 空穴导电本质：价电子的移动
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1.1 半导体基础知识
1. 半导体及其材料
·导 体: 电阻率ρ小于10-3Ω·cm ·绝缘体: ρ大于108Ω·cm ·半导体: ρ介于导体和绝缘体之间。
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1.1 半导体基础知识
半导体的特性 1、掺杂性：
半导体中掺杂后，其电阻率大大下降，晶体管。 2、热敏性：
电阻率随着温度的变化而变化，热敏电阻。 3、光敏性：
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1.1 半导体基础知识
本征半导体中掺入五价 杂质元素(磷、砷等)
N型半导体
+4
+4
+4
本征半导体中掺入三价 杂质元素(硼、镓等)
P型半导体
+4
+4
+4
+4
+5
+4
+4
+3
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
施主原子
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多余电子
受主原子
空穴
杂质半导体中的多子与多子
N型半导体
电子系统抽象模型
电子系统
子系统1 子系统2 子系统3
基本电路1 基本电路2 基本电路3
基本元器件1 基本元器件2 基本元器件3
R4
T1 T4
T5
T2
T3
R3 576
T 14
R2
3.4k UREF
D Z1
D Z2
R1
3.9k
D2 R5
D1
T 13 R7
13k
2.5k R
10
7.8k
UI 1 DZ3
DZ4
电阻率随着光照增强而下降，光敏元件。
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1.1 半导体基础知识
常用半导体材料有: 硅（Si）、锗（Ge），也有三-五族化合物半导体： GaAs、GaP等
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1.1 半导体基础知识
硅原子Si 简化模型
锗原子Ge 简化模型
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1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体—Intrisic Semiconductor 本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体
空穴的浓度相等 ❖ 电子和空穴都是载流子
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+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
自由电子 空穴 本征激发（热激发）
1.1 半导体基础知识
3. 空穴导电
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+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
1.1 半导体基础知识
3. 空穴导电
❖ 当产生空穴后，由于热运动，空穴周围
共价键中相近价电子很容易填补空穴。
硅晶体的结构 制造半导体器件的硅材料的纯度要达到99.9999999%， 2常020/称9/18为“九个9”。
1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体—Intrisic Semiconductor
1. 单晶硅的共价键结构
在绝对温度T=0K时，所
有的价电子都被共价键紧紧
束缚在共价键中,因此本征
+4
T 10
R9 5.8k
T9
T 12
R 14 5k R 15
100
C 1 5pF
R8 T7 T8
13k
T 11
IO R 11 2 UO
+ R12 UF
78× ×
来自百度文库
R 13
T6
2.23k
2.84k R6
入 地出
3
基本电路
RB
C1
+
ui
-
+ VCC
RC
C2
+
T
RL
UO
-
R
c
基本元器件
b
e
C
12’ （300mm）
半导体的导电能力很弱，接
+4
近绝缘体。
+4
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+4
+4
+4
+4
+4
+4
价电子
1.1 半导体基础知识
2. 电子空穴对的产生
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
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1.1 半导体基础知识
2. 电子空穴对的产生 当温度升高或受到光的照射时 ，束缚电子获得能量，部分电 子挣脱原子核的束缚，成为自 由电子，与此同时，在其原来 的共价键中就出现了一个空位 ，称为空穴(hole)。 ❖ 在本征半导体中自由电子和
能量
合同时进行，达到动态平衡，电
+4
+4
+4
子空穴对的浓度一定。
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1.1 半导体基础知识
1.1.2 杂质半导体—Extrisic Semiconductor ➢ 在半导体中电子浓度与空穴浓度乘积是恒定的，
与掺杂浓度无关. ➢ 本征半导体中掺入某些微量杂质元素的半导体，
称为杂质半导体. ➢ 本征半导体中掺杂后，其导电能力大大加强
1.1 半导体基础知识
例：在T=300K的条件下，本征硅中掺亿分之一的5价原 子，硅原子的浓度已知为5.1×1022 /cm3 ，对比掺杂前后 的电子和空穴浓度。
杂质浓度为
5.1×1022 /108 = 5.1×1014 /cm3
本征半导体中电子空穴的浓度为1.43 ×1010 /cm3
p ×n= pi ×ni = ni2