《模拟电子线路》第2章杨凌

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1、杨凌《模拟电子线路》第2章第2章半导体二极管及其基本电路§2.0引言电路器件应用RichardJ.Valentine─摩托罗拉公司首席工程师“分立半导体器件是大多数电子电路的基本构件,即使对于微型计算机芯片这样的复杂集成电路器件,也是由二极管和晶体管构成的。工程师在开始设计电路之前,不管这个电路是一个普通的家用计算机电源,还是一个含有500万个晶体管的微处理器集成电路,了解其中的单个元器件的工作原理是非常必要的。”§2.0引言“每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计着更快地选择正确的元器件.花时间学习每种分立半导体器件如何

2、工作,以及它们与其他元件如何相互作用,最终会得到回报的.”“任何电子类职业都会涉及到半导体器件的应用甚至设计.掌握半导体器件的基本知识,无论对于那些测试二极管、晶体管以及微电路芯片的技工,还是那些将半导体器件设计到电子设备中的工程师来说,都是非常重要的.”§2.1半导体的基本知识半导体的导电率介于导体和绝缘体之间(10-3~109Ω·cm).硅(Si)和锗(Ge)是常用的半导体材料,它们广泛用于半导体器件和集成电路中,其他半导体材料用在特殊的领域中,例如砷化镓(GaAs)及其相关化合物用在特高速器件和光器件中.一、本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体

3、.本征半导体呈电中性.§2.1半导体的基本知识+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴图2.1图2.2本征激发§2.1半导体的基本知识ni=pi=AT3/2e-Eg0/2kT(2—1)3.88×1016cm-3K-3/2(Si)1.76×1016cm-3K-3/2(Ge)1.21eV(Si)0.785eV(Ge)k(玻尔兹曼常数)=8.63×10-5eV/KT↑→ni↑,T=300K,ni(Si)≈1.5×1010cm-3ni(Ge)≈2.4×1013cm-3;T—(K)A=Eg0(禁带宽度)=§2.1半导体的基本知识硅本征半导体中自由电子的浓度为1.5×10

4、10cm-3,看上去似乎很大,但和硅原子的浓度4.96×1022cm-3相比还是很小的.所以,本征半导体的导电能力很弱(本征硅的电阻率约为2.2×105Ω·cm).二、杂质半导体掺有杂质的半导体称为杂质半导体.在掺杂过程中,通过控制自由电子和空穴的浓度,来控制半导体的导电性能.杂质半导体依然呈电中性.§2.1半导体的基本知识1.N型半导体多子:自由电子少子:空穴+4+5+4+4+4P施主杂质图2.3+4+3+4+4+4B受主杂质图2.42.P型半导体多子:空穴少子:自由电子§2.1半导体的基本知识在热平衡条件下n0p0=ni2(2—2)N型半导体n0=Nd+p0≈Nd(2

5、—3)Nd—施主原子浓度.P型半导体p0=Na+n0≈Na(2—4)Na—受主原子浓度.(1)掺杂后,多子浓度都将远大于少子浓度.且少量掺杂,载流子就会有几个数量级的增加,即导电能力显著增大.§2.1半导体的基本知识(2)在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与温度无关(3)在杂质半导体中,少子浓度随温度升高而显著增大.少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因.三、两种导电机理—漂移和扩散1.漂移和漂移电流在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运动,这种定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流.§2.1半导体的基本知识图2.

6、5+V-EIIJt=Jpt+Jnt=q(pμp+nμn)E=σE(2—5)2.扩散和扩散电流因载流子的浓度差引起的载流子的定向运动称为扩散运动,相应产生的电流称为扩散电流.§2.1半导体的基本知识N型硅半导体n0≈p0n(x)p(x)图2.60xJd=Jpd+Jnd(2—6)dp(x)Jpd=-qDpdxdn(x)dn(x)Jnd=-(-q)Dn=qDndxdx由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流.§2.2PN结当P区和N区连接在一起构成PN结时,半导体的现实作用才真正发挥出来.一、PN结的形成1.形成过程图2.7空间电荷区P+x=0N-------

7、-------------E耗尽层(阻挡层)§2.2PN结阻碍多子扩散载流子浓度差→多子扩散→空间电荷区利于少子漂移形成一定厚度的PN结动态平衡2.内建电位差NaNdVB≈VTln(2—7)ni2其中:VT≈26mVNa↑Nd↑ni↓→VB↑§2.2PN结室温下(T=300K)VB(Ge)≈0.2~0.3VVB(Si)≈0.5~0.7V--------------------图2.8xxn-xpVP+NOVB3.阻挡层宽度xnNal0=xn+xp=(2—8)xpNd§2.2PN结二、PN结的伏安关系VF+-图2.9VB-VFV

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