模拟电子技术第一章半导体基础新2

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模拟电子技术基础 主讲人: 王 波 办公室: 4#248 电 话: 68912462 郝艾芳 haoaifang@bit.edu.cn■■■■第1章 目录 1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 习 题:1-2、1-8、1-9、1-10 第1章 从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极管工作原理,掌握其外部特性及主要参数。 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 本征半导体一、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间常用的半导体材料为硅(Si)和锗(Ge),它们均为四价元素二、本征半导体的结构 +4 +4 +4把纯净的没有结构缺 硅原子陷的半导体单晶称为本征半导体。 +4 +4 +4 价电子 在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。 +4 +4 +4 图1.2 本征半导体的共价键结构三、本征半导体中的两种载流子 电子和空穴 +4 +4 +4 成对消失 +4 +4 +4 空 自由电子 穴 本征激发 成对出现 +4 +4 +4 图1-3 本征半导体中的两种载流子本征激发和复合 +4 +4 +4 成对消失 复合 +4 +4 +4 空 自由电子 穴 本征激发 成对出现 +4 +4 +4 +4 +4 +4 在外电场作用下,电子和空穴均能参与导电 +4 +4 +4 电子移动方向 价电子填补空穴 空穴移动方向 +4 +4 +4 四、本征浓度在一定温度条件下,产生与复合的过程虽然仍在不断进行,但电子-空穴对却保持一定的数目 本征半导体载流子的浓度 3/ 2 ?Eg /(2kT ) ni (T ) ? pi (T ) ? K1T e其中,Eg为半导体的激活能,T为绝对温度,k为波耳兹曼 -23 常数(1.38×10 J/K), K1为系数。 10 3 常温下:硅ni(pi)=1.4×10 /cm 13 3 锗ni(pi)=2.5×10 /cm 1.1.2 杂质半导体 +4 +4 +4一 . N型半导体 磷正原离子子 +4 ++54 +4在硅或锗的晶体 多余价电子中掺入少量的五价 自由电子元素 如磷 则形成 , , +4 +4 +4N型半导体。 图1-4 N型半导体 第1章 1.1 N 型半导体结构示意图 少数载流子 多数载流子 正离子在N型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子但仍是电中性二. P型半导体 +4 +4 +4在硅或锗的晶体 硼负原离子子中掺入少量的三 +4 +43 +4 空穴价元素,如硼,则 填补空位形成P型半导体。 +4 +4 +4 空穴是多数载流子 负离子 电子是少数载流子在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。 1.1.3 PN 结 一、PN 结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。 空间电荷区 P 区 N 区 多子扩散 内电场方向 少子漂移 由于载流子的浓度差,P区的空穴向N区扩散,N区 的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为 扩散运动。 随着扩散运动的进行,N区出现正离子区,P区出现负离子区,这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子,也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。 由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区的内建电场阻碍了扩散运动,同时使少子产生漂移运动,即N区的空穴向P区漂移, P区的电子向N区漂移。 当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时,扩散电 流等于漂移电流且方向相反,PN结中电流为零,PN 结宽度及电位差Uho为恒定值。 硅:(0.6~0.8)V;锗:(0.1 ~0.3)V。在一定的条件下,多子扩散与少子漂移达到动态平衡,空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 P 区 N 区 内电场方向二、 PN 结的特性 1、PN 结的单向导电性 内电场方向(1) 外加正向电压(正偏) 空间电荷区 外电场驱使P区的N空区穴电进子入进空入间空间电荷区 变窄 P 区 电荷区抵消一部分抵负消空一 间部电分荷正空间电荷 N 区I 内电场方向 扩散运动增强,形 外电场方向 R 成较大的正向电流 E (2) 外加反向电压(反偏) 空间电荷区变宽 P 区 N 区IR 内电场方向 R 少数载流子越过PN结 外电场方向 形成很小的反向电流 E PN结的单向导电性PN结正偏时的正向电流是扩散电流,数值较大, 此时容易导电;PN结反偏时的反向电流是漂移电流,数值很小, 几乎不导电; 2、PN结的伏安特性及其表达式 I / mA u /uT 为反向饱和电流, I ? I s (e ?1) Is 常温时:UT ≈26mV U / V PN加正向电压,且U>>UT时, u /uT I ? I sePN加反向电压,且?U ? >>UT时, 温度对反向电流的影响: I ? ?I s T↑,少子↑ ,IS ↑ 3、PN结的击穿特性当PN结反向电压超过一定数值UBR后,反向电流急剧增加,该现象称为反向击穿, UBR称为反向击穿电压 齐纳击穿 雪崩击穿齐纳击穿:在掺杂浓度高的情况下,不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场,直接破坏共价键,形成电子-空穴对,导致电流急剧增加。硅材料一般在4V以下。 雪崩击穿:掺杂浓度低,当反向电压比较大时, 耗尽层中的少子加快漂移速度,撞击共价键,形 成电子-空穴对,新的电子和空穴在电场的作用下 加速运动,撞出新的价电子。载
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