模拟电路学习指导

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1、第1章半导体材料及二极管一、内容提要1.半导体基础知识半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，可分为本征半导体和杂质半导体，它的导电能力随温度、光照或掺杂不同而发生显著变化。1）本征半导体纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在绝对零度（0K）时9本征半导体中没有载流子，是良好的绝缘体；但在一定温度下，本征半导休内会发生本征激发现象，产生两种带电性质相反的载流子——自由电子空穴对。温度越高，本征激发越强。2）杂质半导体（1）N型半导体’在本征辟或错中掺人少量五价杂质元素后形成N型半导体，N型半导体中的多子是电子，少子为空穴。自由电子数=空穴数+正

2、离子数，故对外呈电中性。（2）P型半导体。在本征硅或猪中掺入少量三价杂质元素后形成P型半导体.P型半导体中的多子是空穴，少子为电子。空穴数=口由电子数一负离子数，故对外呈电中性°（3）两种浓度不等的载流子。多子：由掺杂形成。少子；由热激发形成。多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且是温度的敏感函数。3）半导体中的两种电流（1）漂移电流。在电场作用下，自由电子（空穴〉逆（顺）电场方向的定向运动而形成的电流。（2）扩散电流。由于同一种载流子的浓度差而产生的载流子从浓度高处向浓度低处扩散运动形成的电流。1.PN结及其单向导电性采用特殊的工艺方法将P型和N型半导体结

3、合在一起，在交界面处形成一个特殊的薄层——PN结。1）PN结的形成过程P区和N区载流子浓度差—引起多子向对方扩散—形成空间电荷区和内电场阻止多子扩散，促进少子漂移〜达到扩散与漂移动态平衡一交界面上形成稳定的空间电荷区（耗尽层、势垒层或阻挡层）——PN结。2）PN结的特点PN结是非中性区（故称为空间电荷区），存在由N区指向P区的内建电场和内建电压；PN结内载流子数远少于结外的载流子数（故称为耗尽区）；PN结的内建电场阻止结外两区的多子越结扩散（故称为势垒层或阻挡层）。3）PN结的单向导电性（1）正偏PN结。当PN结外加正向电斥（P区外接高于N区的电压）时」空间

4、电荷区变窄，内电场减弱-扩散〉漂移f多子扩散形成随正偏电压增加而呈指数增大的正向电流。（2）反偏PN结。当PN结外加反向电压（P区外接低于N区的电压）时-＞空间电荷区变宽,内电场增强一扩散＜漂移f少子漂移形成很小的反向饱和电流（大小受温度彩响很大）。因此，PN结具有单向导电特性——正偏导通，反偏截止。2.PN结的伏安特性PN结的伏安方程i=人（c石一1）其中，人为反向饱和电流，卩丁=竽为热电压，T=300K时，匕r=26mVo（1）当卩＞0,且卩》站丁时，人e時，伏安特性呈非线性指数规律。（2）当v＜0,且

5、v^＞VT时，zQ—人~0,电流基本与卩无关。由

6、此可见，PN结表现为单向导电性。3.PN结击穿特性当反向偏压加得很大，超过某一极限值时，反向电流突然猛增，这种现象称为“击穿”。根据击穿形成的机理，击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。1）雪崩击穿发生条件：大多发生在掺杂浓度较低、PN结较宽、反向偏压较高的PN结中。形成原因：碰撞电离。少数载流子在较高的反向偏压加速下，获得很大的动能足以把空间电荷区内共价键的价电子撞出，由于阻挡层较宽，碰撞电离的机会增多，使载流子数目剧增，反向电流急剧增大，造成雪崩击穿。雪崩击穿电压具有正的温度系数。2）齐纳击穿发生条件：发生在掺杂浓度较高、PN结较薄、反向偏压较小的PN结中。

7、形成原因：场致激发。由于空间电荷区较窄，即使不大的反向偏压也会建立起很强的电场•该电场可直接将共价键的价电子拉出，使载流子数目剧增，反向电流急剧增大・造成齐纳击穿。齐纳击穿电压具有负的温度系数。1.PN结的温度特性（1）PN结结电压为负的温度系数，即温度每升高1°C,结电压以（2〜2.5）mV规律下降。彝~一（2〜2・5）mV/oC<2）反向饱利电流人则以温度每升高10°C加倍的规律增加。t2~T/s（T2）=人（厂）2十2.PN结的电容特性PN结的结电容Cj由势垒电容CT和扩散电容Cd组成，即Cj=G+C”1）势垒电容G势垒电容G反映PN结内部的电荷存储

8、效应，类似于平板电容器，其电容为Ct=W其中，S是PN结面积，〃是PN结宽度，£是半导体的介电常数。2）扩散电容Cd扩散电容Cd反映PN结正向偏置时，PN结外的电荷存储效应。扩散电容Cd与正向电流的关系为G=黔〜举其中，7•是非平衡少子在被复合前的平均存在时间，也称平均寿命，Vr是热电压，b是正向电流。（1）当PN结正偏时，G）》G・，G^Cdo因此,正偏时以扩散电容G）为主。（2）当PN结反偏时，C「》G）~0,Cj^Cto因此，反偏时以势垒电容Ct为主C1.二极管二极管实质上就是一个PN结，PN结的所有特性•二极管都具有°1）二极管的伏安特性二极管的伏安

9、特性可用其伏安方程来描述，即其中，如是加在二极管上的