模擬電子技術(shù)康光華(第五)第三章

3.1半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體目前一頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.1.1半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。如：鐵、銅等2.絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物體。如：橡膠等目前二頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體特點：

1)在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

2)在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。目前三頁\總數(shù)六十四頁\編于八點1.本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。硅和鍺都是4價元素，它們的外層電子都是4個。其簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖：硅和鍺都是四價元素，外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。價電子受原子核的束縛力最小。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的。3.1.3本征半導(dǎo)體目前四頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：1、本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)目前五頁\總數(shù)六十四頁\編于八點2、共價鍵性質(zhì)

共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0K（-273C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子，不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下，本征半導(dǎo)體才能導(dǎo)電。目前六頁\總數(shù)六十四頁\編于八點由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對3、電子與空穴

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，半導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。目前七頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴。

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。目前八頁\總數(shù)六十四頁\編于八點空穴的移動電導(dǎo)率

由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補(bǔ)到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。

電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導(dǎo)體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴。目前九頁\總數(shù)六十四頁\編于八點+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴E目前十頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。目前十一頁\總數(shù)六十四頁\編于八點1.N型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。目前十二頁\總數(shù)六十四頁\編于八點N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：磷原子核自由電子所以，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子有兩種：

自由電子—多數(shù)載流子（由兩部分組成） 空穴——少數(shù)載流子目前十三頁\總數(shù)六十四頁\編于八點2.P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。目前十四頁\總數(shù)六十四頁\編于八點P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：硼原子核空穴P型半導(dǎo)體中：

空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。目前十五頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3目前十六頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念

自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子

施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end目前十七頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)的電容效應(yīng)

載流子的漂移與擴(kuò)散目前十八頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動：在電場作用引起的載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。目前十九頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.2PN結(jié)的形成因濃度差多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散擴(kuò)散到對方的載流子在P區(qū)和N區(qū)的交界處附近被相互中和掉，使P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導(dǎo)體交界處逐漸形成由正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡層）。由于P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，N區(qū)一側(cè)帶正電，所以出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場目前二十頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.2PN結(jié)的形成

當(dāng)擴(kuò)散和漂移運(yùn)動達(dá)到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時，有多少個多子擴(kuò)散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產(chǎn)生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結(jié)的電流為0。目前二十一頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)目前二十二頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。目前二十三頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時

低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的伏安特性目前二十四頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時

外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。目前二十五頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時

高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)的伏安特性目前二十六頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｄ壳岸唔揬總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）目前二十八頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆

PN結(jié)被擊穿后，PN結(jié)上的壓降高，電流大，功率大。當(dāng)PN結(jié)上的功耗使PN結(jié)發(fā)熱，并超過它的耗散功率時，PN結(jié)將發(fā)生熱擊穿。這時PN結(jié)的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。目前二十九頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。正向電壓時，載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程——

擴(kuò)散電容效應(yīng)。目前三十頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(2)勢壘電容CBend是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的?？臻g電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：目前三十一頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)總的結(jié)電容Cj

包括勢壘電容Cb

和擴(kuò)散電容Cd

兩部分。一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為Cj

Cd；當(dāng)反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為Cj

Cb。

Cb

和Cd

值都很小，通常為幾個皮法-幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。綜上所述：目前三十二頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)目前三十三頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。如2AP1（16mA，150MHz）目前三十四頁\總數(shù)六十四頁\編于八點（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型如2CP1（400mA，3kHz）目前三十五頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性目前三十六頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：當(dāng)V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。目前三十七頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性

當(dāng)V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當(dāng)V<VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。目前三十八頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。目前三十九頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.3.3二極管的主要參數(shù)(3)反向電流IR在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。(4)正向壓降VF在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。(5)極間電容CJ（CB、CD）目前四十頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡化模型分析方法目前四十一頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。目前四十二頁\總數(shù)六十四頁\編于八點例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點目前四十三頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型目前四十四頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型目前四十五頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。目前四十六頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型目前四十七頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）電路模型目前四十八頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路vs和vo的波形電路圖us的正半周，D導(dǎo)通,uO=us。us的負(fù)半周，D截止，uO=0。目前四十九頁\總數(shù)六十四頁\編于八點2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當(dāng)VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法當(dāng)VDD=1V時，（結(jié)果有什么區(qū)別呢）目前五十頁\總數(shù)六十四頁\編于八點2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。目前五十一頁\總數(shù)六十四頁\編于八點

雙向限幅電路目前五十二頁\總數(shù)六十四頁\編于八點2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路用理想模型分析，設(shè)輸入電壓為0V或5V求輸入值的不同組合下，輸出電壓值。vo目前五十三頁\總數(shù)六十四頁\編于八點判斷二極管通斷的方法（1）設(shè)二極管斷開（2）求二極管兩端的電壓UX（3）UX>UON則導(dǎo)通，實現(xiàn)電壓為UON（4）UX<UON則截止（5）承受大電壓者優(yōu)先導(dǎo)通解：UD10=15V>UOND1導(dǎo)通UD20=-12-（-15）=3V>UOND2導(dǎo)通12V15VUD10>UD20D1優(yōu)先導(dǎo)通故UA=-UON=-0.7VUD20=-12-UA=-12-(-0.7）=-11.3V<UOND2截止故

D1導(dǎo)通D2截止目前五十四頁\總數(shù)六十四頁\編于八點end2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。目前五十五頁\總數(shù)六十四頁\編于八點3.5