[信息与通信]模拟电路第1章.ppt

1.1 半导体基础知识 导体：容易导电的物体，如金属； 绝缘体：不导电的物体，如橡胶，石英等； 半导体：导电性能界于导体和绝缘体之间的物体，如硅、锗和一些化合物。 本征半导体 本征半导体：本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。如硅、锗单晶体。 本征半导体的纯度 99.9999% 半导体的晶体结构取决于原子结构 半导体的三大基本特性 1、热敏性 环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强。 2、光敏性 当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强。 3、掺杂性 在半导体中掺入一定的杂质后，其导电能力也会大幅度提高。 半导体的原子结构 一、半导体中的载流子——自由电子和空穴 在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位（空穴），如图1–3所示。 本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。 复 合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。 二、本征载流子浓度 由于本征激发和复合现象的存在，在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为 1-1-2、杂质半导体  在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。 根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。 一、N型半导体  在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图1–4所示。 在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子），由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，由于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 二、P型半导体 在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1--5所示。 在P型半导体中自由电子是少数载流子（少子），由热激发形成；空穴是多数载流子（多子），它主要由掺杂形成。 三价原子与周围的半导体原子形成共价键后，其接收自由电子后使得其变为不能移动的带负电的离子，由于三价原子接受电子，因此三价杂质原子也称为受主杂质。 三、杂质半导体的载流子浓度 在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。因此，可近似认为多子与杂质浓度相等。 杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。 1–1–3半导体中的电流 在半导体中有两种电流。 一、漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。漂移电流等于两种载流子之和，即I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。  二、扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。 1–2 PN结及晶体二极管 通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。 1–2–2 PN结的单向导电特性 一、PN结加正向电压 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电