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2014年模拟电子技术基础期末复习湘潭大学讲义
主讲老师:闫磊
模拟电子技术基础
自我简介
闫 磊
办公室:二教609#
电话Email: yanlei@xtu.edu.cn
课程讲授计划
总计80学时,讲课70学时,习题课8学时,复习2学时。
学习及考试要求
上课认真听讲(5%)出勤与表现
认真完成课后作业(10%)工整与正确率
课堂测验(5%)针对重点难点章节
考试(80%)统一笔试成绩
第一章
常用半导体器件
模拟电路
第一章 常用半导体器件
§ 1.1 半导体基础知识
§ 1.2 半导体二极管
§ 1.3 双极型晶体管
§ 1.4 场效应管
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体
1)导体、半导体和绝缘体
导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。
绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:
当受外界热和光的作用时,它的导电能
力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使
它的导电能力明显改变。
2) 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。
现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。
本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。
硅和锗的共价键结构
共价键共
用电子对
+4表示除去价电子后的原子
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。
形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。
共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。
二、本征半导体的导电机理
在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为 0,相当于绝缘体。
在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。
1.载流子、自由电子和空穴
自由电子
空穴
束缚电子
2.本征半导体的导电机理
在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。
本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。
温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
本征半导体中电流由两部分组成:
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。
N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。
多余
电子
磷原子
N 型半导体中的载流子是什么?
1、由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。
二、P 型半导体
空穴
硼原子
P 型半导体中空穴是多子,电子是少子。
三、杂质半导体的示意表示法
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。
1.1.3 PN 结
1)PN结的形成
在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN 结。
P型半导体
N型半导体
扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。
内电场越强,就使漂移运动越强
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