模拟电子电路章西北工业大学.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,(4-,*,),模拟电子电路章()西北工业大学,（优选）模拟电子电路章,(),西北工业大学,2,结构特点：,、外层个电子；,、共价健,半导体特性,：,物质的导电能力由物质原子的内部,结构和原子间的组合方式决定。,2-1,半导体基础知识,2-1 半导体基础知识,若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置，简称正偏。,一是势垒电容CB，,PN结加反向电压时，有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。,（耗尽区窄，低电压产生强电场）,模拟电子电路章()西北工业大学,正向偏置：v0.,在本征半导体中掺入五价杂质元素（例如磷），可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,(a),硅晶体的空间排列,(b),共价键结构平面示意图,(,c),2-1,半导体基础知识,导电特点,、受光照影响,、受掺杂影响,1,、无自由电子,、温度影响,本征半导体,化学成分纯净的半导体,。,它在物理结构上呈单晶体形态。,纯净的含义,无杂质,晶体结构完整,2-1,半导体基础知识,一、,半导体中的载流子,、热力学温度,0K,无外界激发,本征半导体,2-1,半导体基础知识,本征半导体,2,、热力学,300K,室温，产生自由电子,一、,半导体中的载流子,光照激发,(,c),自由电子,空穴,本征激发,一、,半导体中的载流子,、热力学温度,0K,无外界激发,自由电子：,价电子能量增高，有的价电子,挣脱原子核的束缚，而参与导电。,2,、热力学,300K,室温，产生自由电子,空穴：,价电子离开共价键后留下的空位称为空穴。,这一现象称为,本征激发,，也称,热激发,。,本征半导体,2-1,半导体基础知识,Add Your Title,此时发光二极管导通而发光。,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。,在N型和P型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,本征激发和复合的过程（动画1-1）,2-1 半导体基础知识,2-1 半导体基础知识,PN结具有单向导电性，,、热力学温度0K无外界激发,且在常温下（T=300K）,若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,在界面N区的一侧，杂质变成正离子；,（耗尽区窄，低电压产生强电场）,3,、空穴的移动,（,动画,2-1,）,空穴在晶格中的移动,本征激发和复合的过程,（,动画,1-1,）,本征半导体,二、,本征激发和复合,2-1,半导体基础知识,价电子获得能量挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发,本征激发,复合,自由电子释放能量而进入有空位的共价键，使自由,电子和空穴成对消失这一现象称为复合,。,在外电场作用下电子空穴对作定向运动形成的电流。,漂移电流,产生,电子空穴对,导电性能发生变化,N,型半导体,(2),P,型半导体,杂质半导体,在本征半导体中参入杂质的半导体称杂质的半导体,杂质主要是三价或五价元素,参入少量五价元素,参入少量三价元素,2-1,半导体基础知识,Text,Text,Text,参杂,结果,形成两种半导体材料,(1,）,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素（例如磷），可形成,N,型半导体,也称电子型半导体。,自由电子,(2)P,型半导体,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,本征激发,参杂,空穴,本征激发,自由电子,电子是多数载流子，主要由掺杂形成；,空穴是少数载流子，由热激发形成,。,(2)P,型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素（如硼、镓、铟等）形成了,P,型半导体,，,也称为空穴型半导体。,空穴,(2)P,型半导体,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,本征激发,参杂,空穴,本征激发,自由电子,空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；,电子是少数载流子，由热激发形成,。,本征,室温下,本征激发产生的电子和空穴浓度,:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,掺杂,Add Your Title,掺杂浓度,:,n,=510,16,/cm,3,本征硅,Add Your Title,本征硅的原子浓度,:,4.9610,22,/cm,3,杂质对半导体导电性的影响,2-1,半导体基础知识,典型的数据如下,:,半导体中的电流,飘移电流,扩散电流,在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。,电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。,由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处扩散，形成扩散电流。,扩散电流大小与浓度梯度有关。,2-1,半导体基础知识,2.2 PN,结,结的形成,结的单向导电性,结的击穿特性,结的电容效应,结的形成,N,型半导体和,P,型半导体紧密结合在一起。在,N,型半导体和,P,型半导体的结合面上形成,PN,结,。,扩散电流,内电场,随着扩散运动的进行，,在界面,N,区的一侧，杂质变成正离子；,在界面,P,区的一侧，杂质变成负离子。,在,N,型和,P,型半导体界面的,N,型区一侧会形成正离子薄层；,在,N,型和,P,型半导体界面的,P,型区一侧会形成负离子薄层。,这种离子薄层会形成一个电场，方向是从,N,区指向,P,区，称为,内电场，,空间电荷区,内电场的出现及内电场的方向会对扩散运动产生阻碍作用，限制了扩散运动的进一步发展。在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生,漂移运动,。,内电场,漂移电流,内电场,扩散电流,漂移电流,扩散电流,漂移电流,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为,PN,结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,在,N,型和,P,型半导体的结合面上发生物理过程总结,:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为,PN,结。,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,浓度差,扩散运动,电荷区,形成内电场,阻止扩散运动,促使漂移运动,动态平衡,PN,结最重要的特性是单向导电特性，先看如下实验。,实验,：,PN,结的导电性,。按如下方式进行,PN,结导电性的实验，因为,PN,结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成,PN,结。,P,区为正极；,N,区为负极。对于图示的实验电路，（表示二极管负极的黑色圆环在右侧。此时发光二极管导通而发光。,电源正极,P N,发光二极管发光,PN,结的单向导电性,此时发光二极管不发光，说明,PN,结不导电。这个实验说明,PN,结（二极管）具有单向导电性。,N P,发光二极管熄灭,PN,结具有单向导电性，,若,P,区的电位高于,N,区，电流从,P,区流到,N,区，,PN,结呈低阻性，所以电流大；,若,P,区的电位低于,N,区，电流从,N,区流到,P,区，,PN,结呈高阻性，所以电流小。,结,论,定义,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位高于,N,区的电位，称为正向偏置，简称正偏。,当外加电压使,PN,结中,P,区的电位低于,N,区的电位，,称为反向偏置，,简称反偏。,正向偏置,反向偏置,结加正向电压时的导电情况,外电场,外加的正向电压有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，,PN,结呈现低阻性。,内电场,内电场,I,F,结加反向电压时的导电情况,PN,结加反向电压时，有一部分降落在,PN,结区，方向与,PN,结内电场方向相同，加强了内电场。,内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时,PN,结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，,PN,结呈现高阻性。,内电场,I,S,外电场,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为,反向饱和电流,I,S,。,内电场,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。,PN结具有单向导电性，,在N型和P型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。,本征激发和复合的过程（动画1-1）,在N型和P型半导体界面的P型区一侧会形成负离子薄层。,UT 温度的电压当量,2-1 半导体基础知识,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,、热力学温度0K无外界激发,若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；,本征激发和复合的过程（动画1-1）,自由电子释放能量而进入有空位的共价键，使自由,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,PN,结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN,结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN,结具有单向导电性,其中,PN,结的伏安特性,I,S,反向饱和电流,U,T,温度的电压当量,且在常温下（,T,=300K,）,结的,I-V,方程,PN,结的电压和电流之间的关系为：,PN,结的伏安特性曲线如图所示。,处于第一象限的是正向伏安特性曲线，,处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,正向偏置,：,v0.1,反向偏置,：,|,V|0.1,PN,结的反向击穿,当,PN,结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，,热击穿,不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿,电击穿,可逆,此现象称为,PN,结的反向击穿。,结的击穿特性,1,、雪崩击穿,PN,结的反向电压大于某一值,(),时,反向电流突然剧增，这种现象称为,PN,结的击穿,发生击穿所需的电压称为,击穿电压（,V,BR,）,低参杂、高电压,2,、齐纳击穿,高参杂、低电压,1,、雪崩击穿,反向电压,少子动能,少子速度,碰撞共价,键中电子,产生自,由电子,电流剧增,条件：,低参杂、高电压,（耗尽区宽碰撞机会多）,对硅材料：,2,、齐纳击穿,条件：,高掺杂、低电压,（耗尽区窄，低电压产生强电场）,对硅材料：,低电压产,生强电场,产生空,穴,电子对,电流剧增,耗尽区窄,拉出共价,键中电子,结的电容效应,PN,结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。,一是势垒电容,C,B,，,二是扩散电容,C,D,。,(1),势垒电容,C,B,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,势垒电容示意图,当外加电压使,PN,结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当,PN,结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,(1),势垒电容,C,B,随着外加电压的变化离子薄层的厚度的变化情况。,外加反向电压高,外加正向电压低,V=0,时的,n,：为变容指数,为内建电位差,