第 一 章 半 導 體 基 礎 及 應 用 電 路 1.1 半 導 體 基 礎 知 識 1.2 PN結 原 理 1.3 晶 體 二 極 管 及 應 用 應 用 返 回 1.1 半 導 體 基 礎 知 識1.1.1 本 征 半 導 體 1.1.2 雜 質 半 導 體1.1.3 漂 移 電 流 與 擴 散 電 流引 言 返 回 引 言 ：固 體 按 導 電 性 能 上 可 分 為 三 類 ： 3 . 半 導 體 具 有 的 基 本 特 性 ： 對 影 響 較 大 的 因 素 ： 雜 質 ， 溫 度 ， 光 照 1.1半 導 體 材 料 及 導 電 特 性 返 回 1.1 .1 本 征 半 導 體(一 ) 本 征 半 導 體 的 共 價 鍵 結 構14 32 4 4慣性核價電電 返 回 當 Si（ 或 G e） 原 子 組 成 單 晶 體 后 ， 各原 子 之 間 有 序 、 整 齊 的 排 列 在 一 起 ， 原 子之 間 靠 得 很 近 ， 價 電 子 不 僅 受 本 原 子 的 作用 ， 還 要 受 相 鄰 原 子 的 作 用 。 因 此 Si（ 或 G e） 單 晶 體 每 個 原 子 都 從 四周 相 鄰 原 子 得 到 4個 價 電 子 才 能 組 成 穩(wěn) 定 狀態(tài) 。 即 每 一 個 價 電 子 為 相 鄰 原 子 核 所 共 有 ，每 相 鄰 兩 個 原 子 都 共 用 一 對 價 電 子 。 形 成共 價 鍵 結 構 。根 據(jù) 原 子 的 理 論 ： 原 子 外 層 電 子 有 8個才 能 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。 1.1 .1 本 征 半 導 體 （ intrinsic semiconductor）44 444 444 4電 子 能 量 禁帶Eg導帶價帶 返 回 量 子 力 學 證 明 ： 原 子 中 電 子 具 有 的 能 量狀 態(tài) 是 離 散 的 ， 量 子 化 的 ， 每 一 個 能 量 狀 態(tài)對 應 于 一 個 能 級 ， 一 系 列 能 級 形 成 能 帶 。 Ega: 空 穴 帶 正 電 量b： 空 穴 是 半 導 體 中 所 特 有 的 帶 單 位正 電 荷 的 粒 子 ， 與 電 子 電 量 相 等 ， 符號 相 反c： 空 穴 在 價 帶 內 運 動 ， 也 是 一 種 帶電 粒 子 。 在 外 電 場 作 用 下 可 在 晶 體 內定 向 移 動空 穴 ： 44 444 444 4（ 二 ） 本 征 激 發(fā) 和 兩 種 載 流 子 電 子 能 量 禁 帶 gE導 帶價 帶 自 由 電 子 載 流 子 ： 帶 單 位 負 電 荷空 穴 載 流 子 ： 帶 單 位 正 電 荷 在 常 溫 下 本 征 半 導 體 內 有 兩 種 載 流 子 ： 返 回 （ 三 ） 本 征 載 流 子 （ intrinsic carrier） 濃 度本 征 激 發(fā) 電 子空 穴Eg1 電 子 空 穴 隨 機 碰 撞復 合 （ 自 由 電 子 釋 放 能 量 ） 電 子 空 穴 對 消 失23 本 征 激 發(fā) 動 態(tài) 平 衡 復 合 是 電 子 空 穴 對 的 兩 種 矛 盾 運 動 形 式 。 在 本 征 半 導 體 中 電 子 和 空 穴 的 濃 度 總 是 相 等 的 返 回 1.1.2 雜 質 半 導 體 （ donor and acceptor impurities） 2 為 什 么 要 摻 雜 ： 提 高 半 導 體 的 導 電 能 力3.3 1012分 之 一 根 據(jù) 摻 入 雜 質 的 種 類 可 分 為 ： 返 回 （ 一 ） N型 半 導 體 （ N Type semiconductor） 44 454 444 4 雜 質 原 子 能 提 供 多 余 電 子 稱 為 施 主 雜 質 多 余 電 子 位 于 施 主 能 級 （ 進 入 導 帶 ） 成 為 自 由 電 子室 溫T=300k 電 子 能 量 禁 帶Eg導 帶價 帶施 主 能 級 + + + 返 回 在 本 征 半 導 體 中 摻 入 5價 元 素 的雜 質 （ 砷 、 磷 、 銻 ） 就 成 為 N型 雜 質半 導 體 。 （ 一 ） N型 半 導 體 （ N Type semiconductor） 44 454 444 4電 子 能 量 禁 帶Eg導 帶價 帶施 主 能 級 + + + 返 回1.與 本 征 激 發(fā) 不 同 ， 施 主 原 子 在 提 供 多 余 電子 的 同 時 并 不 產 生 空 穴 ， 而 成 為 正 離 子 被 束縛 在 晶 格 結 構 中 ， 不 能 自 由 移 動 ， 不 起 導 電作 用 。2.在 室 溫 下 ， 多 余 電 子 全 部 被 激 發(fā) 為 自 由 電 子 ，故 N型 半 導 體 中 自 由 電 子 數(shù) 目 很 高 （ 濃 度 大 ） ,主 要 靠 電 子 導 電 。 稱 為 電 子 半 導 體 。 3.在 N型 半 導 體 中 同 樣 也 有 本 征 激 發(fā) 產 生 的 電 子空 穴 對 ， 但 數(shù) 量 很 小 ， 自 由 電 子 濃 度 遠 大 于 空 穴濃 度 。自 由 電 子 多 數(shù) 載 流 子 （ 多 子 ） 。且 多 數(shù) 載 流 子 濃 度 ni空 穴 少 數(shù) 載 流 子 （ 少 子 ） 。 少 數(shù) 載 流 子 濃 度 pi （ 二 ） P型 半 導 體 （ P type semiconductor） 電 子 能 量 禁 帶Eg導 帶價 帶受 主 能 級 - - 44 434 4 44 4- 返 回 在 本 征 半 導 體 中 摻 入 3價 元 素 （ 如 B硼 ） ，就 成 為 P型 半 導 體 。 3價 雜 質 原 子 接 受 電 子 負 離 子 受 主 雜 質 受 主 原 子 位 于 受 主 能 級 產 生 空 位室 溫T=300k雜 質 產 生 （ 空 位 ） 受 主 能 級 在 價 帶 中 形 成 空 穴 晶 格 中 留 下 負 離 子 接 受電 子 （ 二 ） P型 半 導 體 （ P type semiconductor） 電 子 能 量 禁 帶Eg導 帶價 帶受 主 能 級 - - P 型 半 導 體 的 特 點 ： 44 434 444 4- P型 半 導 體 ： 多 子 空 穴 且 ： 多 子 濃 度 pi 少 子 電 子 少 子 濃 度 ni 返 回 （ 三 ） 雜 質 半 導 體 中 的 載 流 子 濃 度 本 征 半 導 體 中 載 流 子 由 本 征 激 發(fā) 產 生 ： ni=pi摻 雜 半 導 體 中 （ N or P） 摻 雜 越 多 多 子 濃 度 少 子 濃 度 雜 質 半 導 體 載 流 子 由 兩 個 過 程 產 生 ： 雜 質 電 離 多 子 本 征 激 發(fā) 少 子由 半 導 體 理 論 可 以 證 明 ， 兩 種 載 流 子 的 濃 度 滿 足 以 下 關 系 ：1 熱 平 衡 條 件 ： 溫 度 一 定 時 ， 兩 種 載 流 子 濃 度 積 之 ， 等 于 本 征 濃度 的 平 方 。N型 半 導 體 ： 若 以 n n表 示 電 子 （ 多 子 ） ， pn表 示 空 穴 （ 少 子 ） 則 有 nn.pn=ni2P型 半 導 體 ： pp表 示 空 穴 （ 多 子 ） ， np表 示 電 子 濃 度 （ 少 子 ） pp.np=ni2 返 回 （ 三 ） 雜 質 半 導 體 中 的 載 流 子 濃 度 2 電 中 性 條 件 ： 整 塊 半 導 體 的 正 電 荷 量 與 負 電 荷 量 恒 等 。 N型 ： ND表 示 施 主 雜 質 濃 度 ， 則 ： nn=ND+pn P型 ： NA表 示 受 主 雜 質 濃 度 ， pp=NA+np由 于 一 般 總 有 : NDpn NAnp 所 以 有 N型 ： nnND 且 ： pn ni2/ND P型 ： p pNA np ni2/NA多 子 濃 度 等 于 摻 雜 濃 度 少 子 濃 度 與 本 征 濃 度 ni2有 關 ， 與 溫 度 無 關 隨 溫 度 升 高 而 增 加 ， 是 半 導 體 元 件 溫 度 漂 移 的 主 要 原 因多 子濃 度 少 子濃 度 返 回 1. 1 . 3 漂 移 電 流 與 擴 散 電 流半 導 體 中 有 兩 種 載 流 子 ： 電 子 和 空 穴 ， 這 兩 種 載 流 子 的 定 向 運 動 會 引 起 導 電 電 流 。 引 起 載 流 子 定 向 運 動 的 原 因 有 兩 種 ：由 于 電 場 而 引 起 的 定 向 運 動 漂 移 運 動 。 （ 漂 移 電 流 ）由 于 載 流 子 的 濃 度 梯 度 而 引 起 的 定 向 運 動 擴 散 運 動 （ 擴 散 電 流 ）（ 一 ） 漂 移 電 流 （ drift current） 在 電 子 濃 度 為 n,空 穴 濃 度 為 p的 半 導 體 兩 端 外 加 電 壓 U， 在 電 場 E的 作用 下 ， 空 穴 將 沿 電 場 方 向 運 動 ， 電 子 將 沿 與 電 場 相 反 方 向 運 動 ： （ 單 位 電 場 強 度 下 載 流 子 的 平 均 漂 移 速 度 ） 返 回空 穴 的 平 均 漂 移 速 度 為 : Vp=upE 電 子 的 平 均 漂 移 速 度 為 : Vn=-unE (二 ） 擴 散 電 流 （ diffusion current） Jpo=-qDp dx )x(dp Jno=-(-q) Dn dx )x(dn =qDn dx )x(dn 返 回 1.2 PN結1.2 .2 PN結 的 單 向 導 電 特 性 1.2.1 PN結 的 形 成 及 特 點 返 回 NP + + + +- - - - 1.2 PN結E 返 回1.2.1 PN結 的 形 成 及 特 點 1. PN結 的 形 成 返 回 空 間 電 荷 區(qū) (space charge region) 在 N型 和 P型 半 導 體 的 界 面 兩 側 ， 明顯 地 存 在 著 電 子 和 空 穴 的 濃 度 差 ， 導 致載 流 子 的 擴 散 運 動 ： P型 半 導 體 中 空 穴 N區(qū) 擴 散 與 N區(qū) 中 電 子 復 合 P區(qū) 留 下 負 離 子 N區(qū) 生 成 正 離 子 N型 半 導 體 中 電 子 （ 多 子 ） P區(qū) 擴 散 與 P區(qū) 空 穴 復 合 N區(qū) 留 下 正 離 子 P區(qū) 生 成 負 離 子 。 伴 隨 著 擴 散 和 復 合 運 動 在 PN結 界 面 附 近 形 成 一 個 空 間 電 荷 區(qū) ： N區(qū) 一 則 為 正P區(qū) 一 則 為 負 形 成 內 建 電 場 E內 建 電 場 形 成 少 子 的 漂 移 運 動 N區(qū) 中 空 穴 P區(qū)P區(qū) 中 電 子 N區(qū) 具 有 消 弱 內 建 電 場 E的 作 用 NP + + + +- - - -E 顯 然 半 導 體 中 多 子 的 擴 散 運 動 和 少 子 的 漂 移 運 動 是 一 對 矛盾 運 動 的 兩 個 方 面 ： 多 子 擴 散 運 動 空 間 電 荷 區(qū) 內 建 電 場 E 少 子 漂 移 結 果 ： 多 子 擴 散 運 動 少 子 的 漂 移 擴 散 電 流 漂 移 電 流 達 到 熱 平 衡 （ 動 態(tài) 平 衡 ） PN結 中 總 電 流 為 零 。空 間 電 荷 區(qū) 寬 度 穩(wěn) 定 形 成 PN結 。 2. PN結 的 特 點 返 回 NP + + + +- - - - E 電 荷 密 度E電 場 強 度 電 位U內 建 電 位勢 壘 （ 電 子 勢 能 ）qUP N 1.2.2 PN結 的 單 向 導 電 特 性 偏 置 ： 在 PN 結 兩 端 外 接 電 源 電 壓 正 向 偏 置 ： P區(qū) 接 正 電 源 ， N區(qū) 接 負 反 向 偏 置 ： N區(qū) 接 正 ， P區(qū) 接 負 返 回 1. 正 向 偏 置 ， 正 向 電 流R UD NP + + + +- - - - UiD 正 向 偏 置 UU -U 外 電 場 削 弱 內 電 場 勢 壘 降 低 阻 擋 層 變 窄擴 散 電 流 的 全 過 程 ： 擴 散 + _ 返 回仿 真 iSNP + + + +- - - -2. 反 向 偏 置 ， 反 向 電 流R URU iSU U U +UR+_ 返 回仿 真 1.3 晶 體 二 極 管 及 應 用1 3 2 二 極 管 的 電 阻1 3 3 二 極 管 的 交 流 小 信 號 等 效 模 型1. 3. 4 二 極 管 應 用 電 路1 3 1晶 體 二 極 管 的 伏 安 特 性 引 言 返 回1 3 5 穩(wěn) 壓 管1 3 6 PN結 電 容1 3 7 PN結 的 溫 度 特 性1 3 8 二 極 管 主 要 參 數(shù) 1.3 晶 體 二 極 管 及 應 用 晶 體 二 極 管 PN結 歐 姆 接 觸 電 極 ， 引 出 線 管 殼1.3.1 晶 體 二 極 管 的 伏 安 特 性 返 回 Si1.3.1 晶 體 二 極 管 的 伏 安 特 性二 極 管 的 電 流 與 端 電 壓 之 間 的 關 系 或 曲 線1. 二 極 管 的 理 想 伏 安 特 性 方 程 ： Ge 1.0iD uDa: 正 偏 (uD0 的 區(qū) 域 是 正 向 工 作 區(qū) )： UON UON 返 回 一 般 ： Si: Is在 10 9 10 15A量 級 G e: I s在 uA量 級 Si1. 二 極 管 的 理 想 伏 安 特 性 方 程 ： iR=-IS GeUBR UBR 1.0iD uDb: 反 偏 (U(BR)uD0和 UDUON， 那 么 最 初 的 假設 就 不 成 立 。（ 3） 如 果 任 何 一 個 最 初 的 假 設 被 證 明 是 不 成 立 的 ， 那 么 必 須 再做 一 個 新 的 假 設 ， 然 后 分 析 新 的 “ 線 性 ” 電 路 。 必 須 重 復 第 (2)步 。解 ： 首 先 假 設 二 極 管 VD1和 VD2都 處 于 導通 狀 態(tài) ， 根 據(jù) 電 路 列 寫 節(jié) 點 A、 B的 電 流方 程 ， 可 得 2AD21 A RUIRUE 4BD23B )7.0( RUIRUE 注 意 到 UB =UA-0.7。 聯(lián) 立 這 兩 個 方 程 并消 去 ID2， 可 得 : UA 7.62V 和 UB 6.92V代 入 上 式 可 得 ： ID2 -0. 786mA。 負 的 二 極 管 電 流 和 最 初 的 假 設 不 一 致 ， 需 要 重 新 做 一 次 假 設 。 重 新 假 設 二 極 管 VD2截 止 和 VD1導 通 。 為 了 求 得 節(jié) 點 電 壓 UA和 UB，可 以 應 用 分 壓 公 式 計 算 ， 結 果 為V521 2A ERR RU V53.9)7.0(43 4OB ERR RUU顯 示 二 極 管 VD2確 實 反 向 偏 置 截 止 ， 所 以 ID2=0。 仿 真 實 際 電 路 ： R： 限 流 電 阻 （ 偏 置 電 阻 ） 交 流 小 信 號 電 路 模 型 電 路 仿 真 2 二 極 管 的 交 流 小 信 號 等 效 模 型 返 回 ud ID uDQ UDidiD 1.3.4 二 極 管 應 用 電 路1 整 流 電 路ui0， 二 級 管 導 通 ， ， uo=ui0Di 電 路 仿 真2二 極 管 限 幅 電 路右 圖 為 雙 向 的 限 幅 電 路如 果 設 ： 二 極 管 的 開 啟 電 壓 UON = 0.7V則 有 ： |u i| UON ， VD1導 通 VD2截 止 ，回 路 中 的 電 流 ， 利 用 二 極 管 正 向 穩(wěn)壓 特 性 ， uo= UON 。如 果 ， ui0時 ， VD截 止 ， iD=0， 回 路 無法 放 電 ， 使 電 容 C的 電 壓 保 持uc=ui=2.5V，而 輸 出 電 壓 ：uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5V iDPN 結 擊 穿 后 ， 反 向 電 流 急 劇 增 加 ， 但 端 電 壓 幾乎 不 變 ， 表 明 擊 穿 后 的 PN 結 具 有 穩(wěn) 壓 功 能 ， 在 安 全限 流 條 件 下 ， 利 用 二 極 管 的 擊 穿 特 性 制 作 穩(wěn) 壓 管 。IZminIZmaxUZ IZ UZ正 向 區(qū) ： 相 當 普 通 二 極 管 反 向 區(qū) ： 高 阻 抗 器 件 反 向 擊 穿 區(qū) ： 穩(wěn) 壓 元 件 穩(wěn) 定 電 壓 UZ IZmin最 小 允 許 電 流 IZmax最 大 允 許 電 流 返 回u D Ui UO 2 應 用 電 路 電 路 仿 真返 回 IZ IL iDIZminIZmaxUZ IZ UZ uD IR 4 穩(wěn) 壓 管 動 態(tài) 阻 抗 IZ mi nIZ m a x UZ IZ UZ （ 擊 穿 曲 線 斜 率 的 倒 數(shù) ） rz I z通 常 擊 穿 曲 線 越 陡 ， 內 阻 rz越 小 ， 穩(wěn) 壓 性 能 越 好 .5. 穩(wěn) 壓 管 電 路 模 型 ： 返 回 UZ UZrZiZ iZ 1 3 6 PN結 電 容 + + + +- - - - R UU +_ iR PN 結 具 有 電 容 效 應 勢 壘 電 容 (Barrier Capacitance) （ 1） 定 義 ： 相 當 于 一 個 平 等 板 電 容 器 （ 2） 變 容 極 管 特 性 ：利 用 PN 結 的 勢 壘 電 容 效 應 可 制 造 變 容 二 極 管 。 返 回變 容 管 電 容 與 反 偏 電 壓 的 關 系 ： nDTT )-(1 )0(C=C Uu 載 流 子 濃 度。 。 。 。 。 PN結 正 向 偏 壓 時 載 流 子 在 擴 散 過 程 中 的 電 荷 積 累 引 起 的 電 容 效 應 。 QpQn . . P NU+ U- 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。一 般 CD可 表 示 為 ： 返 回 二 極 管 主 要 參 數(shù) 4. 最 高 工 作 頻 率 fm:最 高 允 許 工 作 頻 率 uDiD 返 回 繼 續(xù)5. 二 極 管 的 高 頻 小 信 號 模 型