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1、电子线路,线性部分（第四版）,第一章 前言 第一节 半导体物理基础知识 第二节 PN结 第三节 晶体二极管电路的分析方法 第四节 晶体二极管的应用,第一章 晶体二极管,第一章 晶体二极管,前言 无论何种用途的电子系统，均由各种功能的电子线路组成。电子线路是指包含有电子器件、并能对电信号实现某种功能处理的电路，它由电子器件加外围电路构成。,常用的电子器件有：晶体(半导体)二极管、三极管、场效应管、集成电路等。外围电路主要由直流电源、电阻、电容以及集成电路中常用的电流源电路等组合而成。不同半导体器件具有不同的特性。而同一种半导体器件，当外围电路提供不同条件时，电路又会呈现不同的功能。,因此，要掌握
2、各种功能电路的工作原理、性能特点，首先要了解各种半导体器件的外特性，掌握器件在不同条件下的等效模型及分析方法；然后再根据外部电路提供的条件，分析电路的功能和所能达到的性能。 本章在简要了解半导体基本知识的基础上，重点掌握器件的外特性。熟悉二极管的各种模型，并会利用模型分析功能电路。,1.1 教学要求,1、了解PN结的基本特性 2、熟悉晶体二极管的数学模型，曲线模型，简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合。 3、熟悉二极管电路的三种分析方法：图解法；简化分析发；小信号分析法。能熟练利用简化分析法分析各种功能电路 4、本章1.4节与1.5节根据教学需要，可作为扩展内容。,第一节 半导体物理基础
3、知识,半导体：是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,一、本征半导体,电阻率在（ ）,锗与硅的原子结构模型：,（a）硅,(b) 锗,(c) 惯性核模型,锗与硅都是单晶体；,硅和锗的单晶体称为本征半导体。,二、本征激发和复合,本征激发： 当温度升高或受到光线照射时，某些共价键中的价电子从外界获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子，同时，在共价键中留下相同数量的空位，这种现象称为本征激发。,实际上,在自由电子-空穴对产生过程中,还同时存在着复合过程,这就是自由电子在热骚动过程中和空穴相遇而释放能量,造成自由电子-空穴对消失的过程.,锗和硅共价键结构示意图,空穴在晶格中移动示意
4、图,结果：,产生两种载流子，,即自由电子和空穴。,这也是导体和半导体导电不同之处。,由与带负电荷的价电子依次填补空位的作用与带正电荷的 粒子作反方向运动的效果相同，因次，可以把空位看作带正电荷的载流子，并把它称为空穴。,三、热平衡载流子浓度：,当温度一定时，上述本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值（即单位体积内的载流子数）上达到动态平衡。,表示热平衡自由电子浓度值,表示热平衡空穴浓度值,单位为,式中：A是常数,硅为：,锗为 ：,k是波尔兹曼常数,（J为焦耳）,Ego是T= 0 K 时，禁带宽度。,硅为：1.21eV,锗为：0.785eV,由上式可知：热平衡载流子浓度值与温度有关，即随温度升高
5、，而迅速增大，导电能力也相应增大。,例如 、 当 T = 300 K 时，可求得：,硅,锗,必须指出： 热平衡载流子浓度值ni (或pi)的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百分数。,例如：硅的原子密度为,说明本征半导体的导电能力是很低的。,1.1.2杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。,是提高半导体的导电能力。,增加载流子浓度 ，即增加自由电子的浓度或空穴的浓度。,在本征半导体中，掺入少量的五价元素 ，可使自由电子浓度增加，掺入少量的三价元素，可使空穴浓度增加。,按掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。,从目前的角度来看掺杂目
6、的：,掺杂原理：,掺杂方式：,N型半导体结构示意图,一、N型半导体：在晶体中自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质 半导体。,特点： 与本征激发产生的载流子浓度相比，N型半导体中自由电子浓度很大，而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大，空穴浓度反而更小，因此在N型半导体中将自由电子称为多数载流子，简称多子，空穴称为少子，并将五价元素称为施主杂质。,P型半导体结构示意图,二、P型半导体：在晶体中空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质 半导体。,特点：与本征激发产生的载流子浓度相比，P型半导体中空穴浓度很大，而自由电子与空穴相遇而复合的机会增大，自由电子浓度反而更小。因此，在P型半导体中将空穴称为多数载流子，
7、简称多子，自由电子称为少子，并将三价元素称为受主杂质。,三、多子和少子热平衡浓度：,不论P型或N型半导体，掺杂越多，多子数目就越多，少子数目就越少。它们之间服从下面介绍的二个关系式。,1、满足相应的热平衡条件：,no为自由电子的热平衡浓度值,po为空穴的热平衡浓度值,2、 满足电中性条件： 整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷量。,设：Nd 为施主杂质浓度（即五价杂质元素）,Na 为受主杂质浓度 （即三价杂质元素）,例如： 在一块N型半导体中，带负电荷的仅有多子自由电子，而带正电荷的有已电离的杂质原子和少子空穴。在室温下，杂质原子已全部电离，这样它的电中性条件为：,通常 Nd的值远大于ni 因而
8、Nd 也就远大于Po ,因此上式可近似认为,即多子浓度近似等于掺杂浓度。,同理：在一块P型半导体中带正电荷的仅有多子空穴，而带负电荷的有已电离的杂质原子和少子自由电子。在室温下，杂质原子已全部电离，这样它的电中性条件为：,即多子浓度近似等于掺杂浓度。,（1） 当 T=300 K 时：,解：,根据热平衡条件：,得,po ni no 故为p型半导体,已知,根据电中性条件：,多子热平衡浓度,根据电中性条件：多子热平衡浓度noNd1,根据热平衡条件：,故 no ni po 故为N型半导体,（2）、若在掺入浓度为,的施主杂质， 即,已知 Nd Na,施主杂质浓度：,根据电中性条件：多子热平衡浓度 为,根
9、据热平衡条件：,故 no ni po 故为N型半导体,则有：,根据热平衡条件：,则有：,故 no = ni = po 故为本征硅半导体。,小结：在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值几乎与温度无关，而少子浓度却随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大到与多子浓度相当，杂质半导体又回复到类似的本征半导体。,1.1.3 二种导电机理漂移和扩散：,1、半导体和导体的导电区别：,导体中只有自由电子一种载流子参与导电，它是在电场作用下产生定向的漂移运动，形成漂移电流。,半导体中有自由电子和空穴二种载流子，它们除了在电场作用下形成漂移电流外，还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动，形成相应的扩散电流
10、。,2、漂移与漂移电流：,设、Jnt 为自由电子的漂移电流密度； Jpt 为空穴的漂移电流密度。,因此他们可表示为：,总的的漂移电流密度为：,其中、 p 和n 分别为空穴和自由电子的浓度。,（库仑）为电子电荷量,E 为外加电场强度、单位为 V/cm,p为空穴的迁移率、 单位：,n 为自由电子的迁移率单位：,表示单位场强下的平均漂移速度。,其值与温度、载流子性质、半导体材料和掺杂浓度等，因素有关。 温度越高、掺杂浓度越大、迁移率就越小，空穴的迁移率比自由电子小。,即,硅材料中：,锗材料中：,迁移率：,硅材料中的载流子迁移率比锗材料中的载流子迁移率要小。,计算如图所示的半导体材料呈现的电阻：,若设
11、半导体材料的长度为 l 、截面积为 S 、加在半导体材料二端的电压为 V =El 、通过其间的电流为 IT =JtS,其中， 为电阻率，单位 .cm。,为电导率，单位为 s/cm （西门子/厘米）。,因此根据欧姆定律得，该半导体材料呈现的电阻为：,解：,当 T = 300 K 时，不掺杂，自由电子和空穴热平浓度值为：,则,根据电中性条件：多子热平衡浓度,根据热平衡条件：,少子热平衡浓：,掺杂前的电导率：,掺杂后的电导率：,电导率之比：,此例表明：少量掺杂，电导率比本征半导体电导率高六、七个数量级。,讨论光照对半导体导电能力的影响：,设有足够强度的光均匀地照射在半导体上，半导体的热平衡条件受到破
12、坏，由光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上，由光照产生的载流子称为非平衡载流。,其浓度值分别为： n与 p,并且有 n = p,则总的载流子浓度值：分别为,故半导体的电导率为：,式中,称为热平衡电导率,称为光电导率,3、扩散与扩散电流：,扩散：与由热骚动造成的随机运动相关。,例如：一块处于热平衡状态的半导体中，均匀分布的自由电子和空穴不会因随机运动而造成电荷的定向流动。,虚线为半导体中任一假想面，两侧存在浓度差，因而造成载流子沿X 方向的净流动（类似于定向运动）。这种因浓度差引起载流子的定向运动称为扩散运动；相应产生的电流称为扩散电流。,若设n (x) 和 p(x) 随x 的变化率（即浓度梯度）分别为：,和,则单位时间内通过单位截面积的净载流子数目将于浓度梯度成正比，因此，沿着x 方向自由电子和空穴的扩散电流密度分别为：,式中：Dn 和 Dp 为比例常数分别称为：,Dn 自由电子扩散系数,DP 空穴扩散系数,当 n(x) 和 p(x) 沿x 方向减小时：,式中，负号表示载流子总是自浓度高的地方向浓度低的地方扩散 。,与,均为负值。,表明自由电子扩散电流方向与浓度减小方向相反，而空穴扩散电流方向与浓度减小方向一致。,