模拟电子技术课件第一章

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'模拟电子技术课件第一章'
第一章 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(BJT)1.4 场效应三极管  半导体的特性  1. 导体:电阻率 ? < 10-4 ? · cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。  2. 绝缘体:电阻率 ? > 109 ?· cm 物质。如橡胶、塑料等。  3. 半导体:导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。 半导体导电性能是由其原子结构决定的。 价电子 硅原子结构 最外层电子称价电子 锗原子也是 4 价元素 (a)硅的原子结构图 +4  4 价元素的原子常常用 电荷的正离子和周围+ 4 4 ( )简化模型个价电子表示。 b 图 1.1.1 硅原子结构 1.1.1 本征半导体   完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 +4 +4 +4   将硅或锗材 价 电 共 料提纯便形成单 子 价 晶体,它的原子 键 +4 +4 +4 结构为共价键结 构。 +4 +4 +4  当温度 T = 0 K 时,半导体不导电,如同绝缘体。 图 1.1.2 本征半导体共价键结构 若 T ? ,将有少数价 T ?电子克服共价键的束缚成为自由电子,在原来的共 +4 +4 +4价键中留下一个空位——空穴。 空穴 自由电子 +4 +4 +4 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力,但很微弱。 +4 +4 +4  空穴可看成带正电的 图  本征半导体中的载流子。 1.1.3      自由电子和空穴 带负电的自由电子 1. 半导体中两种载流子 带正电的空穴   2. 本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,称为 电子 - 空穴对。  3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示,显然 ni = pi 。  4. 由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。  5. 载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升高,基本按指数规律增加。 1.1.2 杂质半导体 N 型半导体 杂质半导体有两种 P 型半导体 一、 N 型半导体  在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素,如磷、锑、砷等,即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。 本征半导体掺入 5 价元素后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度,即 n >> p 。电子称为多数载流子(简称多子),空穴称为少数载流子(简称少子)。 +4 +4 +4 自由电子 +4 +45 +4 施主原子 +4 +4 +4图 1.1.4 N 型半导体的晶体结构 二、 P 型半导体  在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。 +4 +4 +4   3 价杂质原子称为 空穴 受主原子。 +4 +43 +4 受主   空穴浓度多于电子 原子 浓度,即 p >> n。空穴 为多数载流子,电子为 +4 +4 +4 少数载流子。图 1.1.5 P 型半导体的晶体结构 说明:  1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流子的浓度。  2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。 (a)N 型半导体 (b) P 型半导体 图 1.1.6 杂质半导体的的简化表示法 1.2 半导体二极管 1.2.1 PN 结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,称为 PN 结。 P PN结 N 图 1.2.1 PN 结的形成 一、 PN 结中载流子的运动 P N 1. 扩散运动  电 子 和 空 穴浓 度 差 形 成 多 数载 流 子 的 扩 散 运动。  2. 扩散运动 耗尽层 空间电荷区 N形成空间电荷区 P —— PN 结,耗 尽层。 图 1.2.1 3. 空间电荷区产生内电场  空间电荷区正负离子之间电位差 UD —— 电位壁垒;—— 内电场;内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。   漂移运动 阻挡层 4. 空间电荷区  内 电 场 有 利 P N于少子运动—漂移。 少子的运动与多子运动方向相反 内电场 图 1.2.1(b) UD 5. 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加; 当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。 空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米; 电压壁垒 UD,硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V, 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。 空间电荷区变窄,有利 1. 外加正向电压 于扩散运动,电路中有 较大的正向电流。 又称正向偏置,简称正偏。 空间电荷区 P NI 内电场方向 外电场方向 V R 图 1.2.2  在 PN 结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻 R。 2. 外加反向电压(反偏)  反向接法时,外电场与内电场的方向一致,增强了内电场的作用; 外电场使空间电荷区变宽;  不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,电路中产生反向电流 I ; 由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。 空间电荷区 P N IS 内电场方向 外电场方向 V R 图 1.2.3 反相偏置的 PN 结  反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随着温度升高, IS 将急剧增大。  综上所述:  当 PN 结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流, PN 结处于 导通状态;当 PN 结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零, PN 结处于截止状态。  可见, PN 结具有单向导电性。 1.2.2 二极管常见几何结构 点接触型二极管 PN结面积小,结电容小,(1) 用于检波和变频等高频电路。 金属触丝 正极引线 负极引线 外壳 N型锗 PN结面积大,用(2) 面接触型二极管 于工频大电流整流电路。 正极引线 用于集成电路制造工艺中。 铝合金小球 P型硅
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