模拟电路分析与设计基础学习指导

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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,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索后形成N型半导体，N型

2、半导体中的多子是电子，少子为空穴。自由电子数=空穴数+正离子数，故对外呈电中性。（2）P型半导体。在本征硅或错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=口由电子数十负离子数，故对外呈电中性C（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

3、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区载流子浓度差亠引起多子向对方扩散—形成空间电荷区和内电场f阻止多子扩散，促进少子漂移〜达到扩散与漂移动态平衡-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

4、）；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）时亠空间电荷区变窄，内电场减弱扩散〉漂移—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〜少子漂移形成很小的反向饱和电流（大小受温度影响很大）。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

5、石一1）其中，人为反向饱和电流，卩丁=口为热电压9T=300K时，=—9926mVo（1）当卩＞0,且时，時，伏安特性呈非线性指数规律。（2）当z/VO,且

6、v

7、»VT时，,~一人〜0,电流基本与e无关。由此可见，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J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、反向偏压较髙的PN结中。形成原因：碰撞电离。少数载流子在较高的反向

8、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。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

9、温度每升离1°C,结电压以（2〜2.5）mV规律下降。dvdf2.5)mV/°C⑵反向饱利电流人则以温度每升高io°c加倍的规律增加。人（八）2.PN结的电容特性PN结的结电容Cj由势垒电容G和扩散电容Cd组成，即Cj=G+C»1）势垒电容Ct势垒电容Ct反映PN结内部的电荷存储效应，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5=黔和其中，r是非平衡少

10、子在被复合前的平均存在时间，也称平均寿命，Ur是热电压，Id是正向电流。（1）当PN结正偏时，G〉》Ct,Cj^Cno因此，正偏时以扩散电容c“为主。（2）当PN结反偏时，C「》G）~0,Cj^Cto因此，反偏时以势垒电容G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特性可用其伏安方程来描述，即其中，•如是加在二极管上的端电压，b是流过二极管上的电流。当二极管正偏