昆明理工大学模拟电路第一章 半导体器件及基本电路

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1、1半导体器件半导体器件1.11.1半导体的基础知识半导体的基础知识1.21.2半导体二极管半导体二极管1.31.3双极型半导体三极管双极型半导体三极管1.41.4场效应管场效应管小结小结2半导体器件半导体器件1.11.1半导体的基础知识半导体的基础知识 1.1.1 半导体的物理特性半导体的物理特性1.1.2 本征半导体本征半导体1.1.3 杂质半导体杂质半导体1.1.4 PN结结(PN Junction)3 自然界按其导电性能来分类可以分为自然界按其导电性能来分类可以分为导体导体,绝缘体绝缘体和和半导体半导体。 半导体：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的

2、物质。 例如：硅（例如：硅（Si），锗（），锗（Ge），砷化镓（），砷化镓（GaAs）45 半导体的晶体结构半导体的晶体结构l制作半导体的主要材料是硅和锗制作半导体的主要材料是硅和锗l它们最外层都有它们最外层都有4个个价电子价电子l外层电子影响它们的化学性质外层电子影响它们的化学性质 也影响他们的导电性能也影响他们的导电性能硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构6 半导体的晶体结构半导体的晶体结构 如果把原子核和结构较稳定的内层电子看成一个整如果把原子核和结构较稳定的内层电子看成一个整体，称为体，称为惯性核惯性核，那么惯性核就带着四个正电荷，那么惯性核就带着四个正电荷，外层价电子带四个负电荷

3、。外层价电子带四个负电荷。7 硅和锗都是单晶体材料，硅和锗都是单晶体材料，它们的单晶体具有金刚石它们的单晶体具有金刚石结构，每一个原子与相邻的四个原子结合，这些原结构，每一个原子与相邻的四个原子结合，这些原子彼此之间通过共价键联系起来。子彼此之间通过共价键联系起来。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构晶体结构平面示意图晶体结构平面示意图8本征半导体本征半导体纯净的结构完整的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的结构完整的半导体。如硅、锗单晶体。本征激发本征激发在温度变高或光照下价电子在温度变高或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共束缚成为自由电子，并在共

4、价键中留下一个空位价键中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。9l复合复合电子和空穴成对的消失电子和空穴成对的消失l本征激发本征激发电子和空穴成对的出现电子和空穴成对的出现l载流子载流子电子和空穴都可以移动电子和空穴都可以移动10N型半导体型半导体 掺五价元素掺五价元素 如磷如磷N型半导体共价键结构型半导体共价键结构P型半导体共价键结构型半导体共价键结构P型半导体型半导体 掺三价元素掺三价元素 如硼如硼自由电子自由电子多多数载流数载流子子 空穴空穴少少数载流数载流子子自由电子自由电子少少数载流数载流子子 空穴空穴多多数载流数载流子子11N型半导体的简化图型半导体的简化图P型半导体的简化图型半

5、导体的简化图负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P型型正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子N型型掺杂浓度掺杂浓度 电子数电子数掺杂浓度掺杂浓度 空穴数空穴数12l漂移运动漂移运动l扩散运动扩散运动 在有在有电场作用电场作用时，半导体中的载流子将产生定向运时，半导体中的载流子将产生定向运动，称为动，称为漂移运动漂移运动。载流子的漂移运动形成的电流称为。载流子的漂移运动形成的电流称为漂移电流漂移电流。 由于由于浓度差浓度差而引起的定向运动称为而引起的定向运动称为扩散运动扩散运动，载流子，载流子扩散运动所形成的电流称为扩散运动所形成的电流称为扩散电流扩散电流。13（一

6、）（一）PNPN结的形成结的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起引起两边多子的扩散两边多子的扩散2. 扩散运动使交界面形成空间电荷区扩散运动使交界面形成空间电荷区 ( (耗尽层耗尽层) ) 扩散运动扩散运动和和漂移运动漂移运动达到了达到了动态的平衡动态的平衡阻止多子的扩散运动阻止多子的扩散运动利于少子的漂移运动。利于少子的漂移运动。内建电场内建电场 形成了内建电场形成了内建电场14内建电场内建电场 内建电场的大小与形成内建电场的大小与形成PNPN结两边的载流子浓度差有结两边的载流子浓度差有关：关：l浓度差越大，则扩散运动愈显著，达到平衡时的内建电场越大；浓度差越大，则扩散运动愈显著，达到

7、平衡时的内建电场越大；l由于锗材料的两边的少子浓度都远远大于硅的少子浓度（约由于锗材料的两边的少子浓度都远远大于硅的少子浓度（约10001000倍），因此内建电场比硅的小得多。（锗的开启电压小）倍），因此内建电场比硅的小得多。（锗的开启电压小）l随着温度的升高，由于多子浓度几乎不变，而少子浓度变大，两随着温度的升高，由于多子浓度几乎不变，而少子浓度变大，两边的浓度差变小，因此内建电场变小。（开启电压随温度升高而边的浓度差变小，因此内建电场变小。（开启电压随温度升高而变小）变小）15 没有外加电场作用：没有外加电场作用： 扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 = 漂移电流

8、漂移电流 总电流总电流 I = 0内建电场内建电场16（二）（二）PN结单向导电性结单向导电性1. 外加正向电压外加正向电压( (正向偏置正向偏置) ) forward biasP 区区N 区区内内电场电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子限流电阻限流电阻172. 外加反向电压外加反向电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区内内电场电场外电场外电场外电场使多子背离外

9、电场使多子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。ISPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成漂移运动加强形成反向饱和电流反向饱和电流 ISIS = I少子少子 0（二）（二）PN结单向导电性结单向导电性18（三）（三）PN结单的伏安特性结单的伏安特性) 1e (/STUuII反向饱和反向饱和电流电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300K( (27 C) )：UT = 2

10、6 mVOu /VI /mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿加正向电压时：加正向电压时：U 0且且U UT 加反向电压时加反向电压时: U UTiI IS S正向电流随正向电压的增大按指数增大正向电流随正向电压的增大按指数增大只流过很小的反向饱和电流只流过很小的反向饱和电流19（三）（三）PN结单的反向击穿结单的反向击穿Ou /VI /mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿U (BR)击穿电压击穿电压 当加到当加到PN结上的反向电结上的反向电压增大到某个数值时，反向压增大到某个数值时，反向电流急剧增加。电流急剧增加。反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿 PN 结未损坏，断电即恢复

11、。结未损坏，断电即恢复。 PN 结烧毁。结烧毁。齐纳击穿齐纳击穿：( (Zener) )反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。20（四）（四）PN结单的电容效应结单的电容效应一般在高频时考虑一般在高频时考虑PN结的电容效应。结的电容效应。1. 势垒电容势垒电容PN结的空间电荷区的电荷量变化等效电容称为结的空间电荷区的电荷量变化等效电容称为势垒电容（势垒电容（C CB B）212. 扩散电容扩散电容当外加电压增大时，非平衡少子浓度增加；同理，