模拟与数字电路 宁帆 张玉艳 第1章半导体元器件

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1、第1章半导体元器件1.1半导体基础知识1.2PN结1.3半导体二极管1.4半导体三极管1.5场效应晶体管本章介绍构成模拟集成电路的基础器件：二极管、三极管和场效应管。重点分析它们的结构、特性、主要参数等，还介绍二极管的应用、特殊二极管的功能等，并说明放大电路中三极管、场效应管的工作特点，指出三极管工作状态在模拟及数字电路中的不同。学习要点1.了解半导体物理知识和PN结的形成；熟悉PN结的特性，掌握二极管、三极管和场效应管的工作原理、基本方程、特性、主要参数、近似等效电路和使用注意事项。2.了解温度对半导体器件性能的影响以及锗管和硅管的性能差别。3

2、.能解释下列名词术语：本征半导体，杂质半导体，多数载流子，空间电荷区，扩散电流和漂移电流；沟道，夹断，预夹断，耗尽型，增强型，夹断电压UP，开启电压UT，零栅饱和漏电流IDSS和跨导gm。1.1半导体基础知识1.1.1什么是半导体1.1.2本征半导体1.1.3杂质半导体1.1.1什么是半导体在日常生活中，将常见的容易导电的金、银、铜、铝等金属称为导体；而普通的塑料、陶瓷、橡胶等则几乎不导电，称为绝缘体。半导体因其导电能力介于导体和绝缘体之间而得名，如锗、硅和砷化镓（其化学元素符号分别为Ge、Si和GaAs）是3种主要的半导体材料。半导体之所以在现

3、代科学技术中得到广泛的应用，不在于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是因为它具有下面两个物理性质。1.半导体的导电性能很容易改变（1）半导体的电导率可以随加入的杂质发生显著的变化。（2）温度的变化也会使半导体的电导率发生显著的变化。（3）光照不仅可以改变半导体的电导率，而且还可以产生电动势，称这种现象为半导体的光电效应。2.半导体导电性能的改变是可以控制的1.1.2本征半导体1.硅和锗晶体的共价键结构由原子理论知道，组成物质的原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，电子分几层围绕着原子核不停地运动。当最外层电子有8个时才处于稳定状态。目前，用

4、得最多的半导体材料是锗和硅，它们的原子结构如图1-1-1所示。图1-1-1硅（锗）原子简化图锗和硅最外层电子都是4个，所以称它们为四价元素。外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。半导体的导电性能与价电子有关。半导体材料在固态下是晶格结构。在半导体元器件的制作工艺中，首先要将半导体材料提纯并拉成单晶体，即在整个材料内部，原子之间整齐排列。纯净的半导体单晶体称为本征半导体。当硅(锗)材料制成纯单晶体时，它的原子排列就由杂乱无章变成了非常整齐的状态。由于原子间距离很近，原来隶属于每个原子的价电子就要受到相邻原子的影响，使价电子为两个原子所共有，从而

5、形成了单晶体中的“共价键”结构，如图1-1-2中①所示。图1-1-2硅或锗材料的共价键结构在绝对温度0K(即-273℃)，又无外部激发时，由于共价键中的价电子被束缚着，半导体中没有可以自由运动的带电粒子——载流子。因此，即使有外电场作用也不能产生电流。此时的半导体相当于绝缘体。2.本征半导体中的两种载流子——自由电子和空穴但是当有外部激发，如温度升高或光照时，就会使一些价电子在获得能量后，挣脱共价键的束缚，而成为自由电子，也叫电子载流子，电荷量等于-q，这种现象称为本征激发。当价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，在共价键中就留下一个空位子，叫空

6、穴，如图1-1-2中②所示。当邻近共价键内的价电子跑过来填充这个空穴，在原来的位置产生一新的空穴，这种情形相当于空穴在移动。空穴是由于失去价电子形成的，所以它是带正电（+q）的载流子。综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。它们是成对出现的，也叫做“电子空穴对”。由于两者电荷量相等，极性相反，所以，本征半导体是电中性的。半导体在外电场作用下，通过它的电流可以看作是由两部分组成：一部分是自由电子逆电场方向定向运动形成的电子电流；另一部分是共价键中价电子填补空穴形成的空穴电流，如图1-1-2中③所示，即半导体中的电流为电

7、子电流和空穴电流之和。实践和理论证明，随着温度的升高，电子空穴对将迅速增多，其增加速度，比指数律还快。利用本征半导体的掺杂特性，人为地掺入少量其他元素(称为杂质)，可以制成杂质半导体，从而使半导体的导电性能发生显著的改变。利用这一特性，制成了各种性能的半导体器件。根据掺入杂质性质的不同，可分为电子型半导体和空穴型半导体两种。1.1.3杂质半导体因为电子带负电，取英文单词“Negative”(负)的第一个字母，所以电子型半导体又称为N型半导体；空穴带正电，取英文单词“Positive”(正)的第一个字母，空穴型半导体又称为P型半导体。在本征半导体中

8、掺入少量的五价元素如磷、砷、锑等，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，便形成了N型半导体。图1-1-3所示为一个磷原子代替一