3.1半導體的基本知識

半導體材料

半導體的共價鍵結構

本征半導體

雜質半導體目前一頁\總數六十四頁\編于八點3.1.1半導體材料

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。導體：容易導電的物體。如：鐵、銅等2.絕緣體：幾乎不導電的物體。如：橡膠等目前二頁\總數六十四頁\編于八點

半導體是導電性能介于導體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導電。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體特點：

1)在外界能源的作用下，導電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

2)在純凈半導體內摻入雜質，導電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。目前三頁\總數六十四頁\編于八點1.本征半導體——化學成分純凈的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態。電子技術中用的最多的是硅和鍺。硅和鍺都是4價元素，它們的外層電子都是4個。其簡化原子結構模型如下圖：硅和鍺都是四價元素，外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。價電子受原子核的束縛力最小。物質的性質是由價電子決定的。3.1.3本征半導體目前四頁\總數六十四頁\編于八點

本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：1、本征半導體的共價鍵結構目前五頁\總數六十四頁\編于八點2、共價鍵性質

共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0K（-273C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導體中沒有自由電子，不導電。只有在激發下，本征半導體才能導電。目前六頁\總數六十四頁\編于八點由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生空穴－電子對3、電子與空穴

當導體處于熱力學溫度0K時，半導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。目前七頁\總數六十四頁\編于八點

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，這個空位為空穴。

可見因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。本征激發和復合在一定溫度下會達到動態平衡。目前八頁\總數六十四頁\編于八點空穴的移動電導率

由于共價鍵中出現了空穴，在外加能源的激發下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現了空穴，其它電子又有可能轉移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現了電荷遷移—電流。

電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導體中，產生電流的根本原因是由于共價鍵中出現了空穴。目前九頁\總數六十四頁\編于八點+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴E目前十頁\總數六十四頁\編于八點3.1.4雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。目前十一頁\總數六十四頁\編于八點1.N型半導體3.1.4雜質半導體

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由熱激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。目前十二頁\總數六十四頁\編于八點N型半導體的結構示意圖如圖所示：磷原子核自由電子所以，N型半導體中的導電粒子有兩種：

自由電子—多數載流子（由兩部分組成） 空穴——少數載流子目前十三頁\總數六十四頁\編于八點2.P型半導體3.1.4雜質半導體

因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，由熱激發形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。目前十四頁\總數六十四頁\編于八點P型半導體的結構示意圖如圖所示：硼原子核空穴P型半導體中：

空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數載流子，由熱激發形成。目前十五頁\總數六十四頁\編于八點3.雜質對半導體導電性的影響3.1.4雜質半導體

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3目前十六頁\總數六十四頁\編于八點

本征半導體、雜質半導體

本節中的有關概念

自由電子、空穴N型半導體、P型半導體

多數載流子、少數載流子

施主雜質、受主雜質end目前十七頁\總數六十四頁\編于八點3.2PN結的形成及特性

PN結的形成

PN結的單向導電性

PN結的反向擊穿

PN結的電容效應

載流子的漂移與擴散目前十八頁\總數六十四頁\編于八點3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。目前十九頁\總數六十四頁\編于八點3.2.2PN結的形成因濃度差多子擴散形成空間電荷區促使少子漂移阻止多子擴散擴散到對方的載流子在P區和N區的交界處附近被相互中和掉，使P區一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區一側因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導體交界處逐漸形成由正、負離子組成的空間電荷區（耗盡層）。由于P區一側帶負電，N區一側帶正電，所以出現了方向由N區指向P區的內電場目前二十頁\總數六十四頁\編于八點3.2.2PN結的形成

當擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區的寬度和內電場電位就相對穩定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結的電流為0。目前二十一頁\總數六十四頁\編于八點

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區目前二十二頁\總數六十四頁\編于八點3.2.3PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結加正向電壓時

外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。目前二十三頁\總數六十四頁\編于八點3.2.3PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結加正向電壓時

低電阻大的正向擴散電流PN結的伏安特性目前二十四頁\總數六十四頁\編于八點3.2.3PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結加反向電壓時

外加的反向電壓方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。目前二十五頁\總數六十四頁\編于八點3.2.3PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結加反向電壓時

高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結的伏安特性目前二十六頁\總數六十四頁\編于八點

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。目前二十七頁\總數六十四頁\編于八點3.2.3PN結的單向導電性

(3)PN結V-I特性表達式其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）目前二十八頁\總數六十四頁\編于八點3.2.4PN結的反向擊穿

當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆

PN結被擊穿后，PN結上的壓降高，電流大，功率大。當PN結上的功耗使PN結發熱，并超過它的耗散功率時，PN結將發生熱擊穿。這時PN結的電流和溫度之間出現惡性循環，最終將導致PN結燒毀。目前二十九頁\總數六十四頁\編于八點3.2.5PN結的電容效應(1)擴散電容CD擴散電容示意圖是由多數載流子在擴散過程中積累而引起的。正向電壓時，載流子積累電荷量發生變化，相當于電容器充電和放電的過程——

擴散電容效應。目前三十頁\總數六十四頁\編于八點3.2.5PN結的電容效應

(2)勢壘電容CBend是由PN結的空間電荷區變化形成的。空間電荷區的正負離子數目發生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：目前三十一頁\總數六十四頁\編于八點3.2.5PN結的電容效應

PN結總的結電容Cj

包括勢壘電容Cb

和擴散電容Cd

兩部分。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為Cj

Cd；當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為Cj

Cb。

Cb

和Cd

值都很小，通常為幾個皮法-幾十皮法，有些結面積大的二極管可達幾百皮法。綜上所述：目前三十二頁\總數六十四頁\編于八點3.3半導體二極管

半導體二極管的結構

二極管的伏安特性

二極管的主要參數目前三十三頁\總數六十四頁\編于八點3.3.1半導體二極管的結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結構示意圖PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。如2AP1（16mA，150MHz）目前三十四頁\總數六十四頁\編于八點（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型如2CP1（400mA，3kHz）目前三十五頁\總數六十四頁\編于八點3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性目前三十六頁\總數六十四頁\編于八點3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性

硅二極管的死區電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區電壓Vth=0.1V左右。

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區電壓或開啟電壓。當V＞0即處于正向特性區域。正向區又分為兩段：當V＞Vth時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。目前三十七頁\總數六十四頁\編于八點3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性

當V＜0時，即處于反向特性區域。反向區也分兩個區域：

當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當V<VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。目前三十八頁\總數六十四頁\編于八點3.3.3二極管的主要參數(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。二極管長期連續工作時，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。目前三十九頁\總數六十四頁\編于八點3.3.3二極管的主要參數(3)反向電流IR在室溫下，在規定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。(4)正向壓降VF在規定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。(5)極間電容CJ（CB、CD）目前四十頁\總數六十四頁\編于八點3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡化模型分析方法目前四十一頁\總數六十四頁\編于八點3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。目前四十二頁\總數六十四頁\編于八點例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點目前四十三頁\總數六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型目前四十四頁\總數六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型目前四十五頁\總數六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態工作點，反映直流時的工作狀態。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。目前四十六頁\總數六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型目前四十七頁\總數六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態工作點Q有關。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）電路模型目前四十八頁\總數六十四頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應用舉例（1）整流電路vs和vo的波形電路圖us的正半周，D導通,uO=us。us的負半周，D截止，uO=0。目前四十九頁\總數六十四頁\編于八點2．模型分析法應用舉例（2）靜態工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法當VDD=1V時，（結果有什么區別呢）目前五十頁\總數六十四頁\編于八點2．模型分析法應用舉例（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vI=6sintV時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。目前五十一頁\總數六十四頁\編于八點

雙向限幅電路目前五十二頁\總數六十四頁\編于八點2．模型分析法應用舉例（4）開關電路用理想模型分析，設輸入電壓為0V或5V求輸入值的不同組合下，輸出電壓值。vo目前五十三頁\總數六十四頁\編于八點判斷二極管通斷的方法（1）設二極管斷開（2）求二極管兩端的電壓UX（3）UX>UON則導通，實現電壓為UON（4）UX<UON則截止（5）承受大電壓者優先導通解：UD10=15V>UOND1導通UD20=-12-（-15）=3V>UOND2導通12V15VUD10>UD20D1優先導通故UA=-UON=-0.7VUD20=-12-UA=-12-(-0.7）=-11.3V<UOND2截止故

D1導通D2截止目前五十四頁\總數六十四頁\編于八點end2．模型分析法應用舉例（6）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。目前五十五頁\總數六十四頁\編于八點3.5