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P型半导体的结构
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1.1.3 PN 结 •
在一块本征半导体上，一边掺入施主杂 质，使之变为N型半导体，另一边掺入受主 杂质，使之变为P型半导体，那么在P型半 导体和N型半导体的交界面附近，就会形成 一个具有独特物理特性的PN结。PN结具有 单向导电性。
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一、 PN结的形成
物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方 运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散 运动。P型半导体和N型半导体结合在一起时， 交界面两侧多子和少子的浓度有很大的差别， 就要进行扩散，进而形成空间电荷区，随着扩 散的进行，空间电荷区加宽，内电场加强。而 内电场的作用是阻止多子扩散的，所以由浓度 差产生的多子扩散的结果产生的内电场对扩散 的阻碍作用最终将达到平衡，使空间电荷区的 宽度不再变化。
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当共价键中出现空穴时，相邻原子的价电子 比较容易离开它所在的共价键，填充到这个空 穴中来，而在原共价键处留下新的空穴，这个 空穴又可被相邻原子的价电子填充，再出现空 穴。这样依次填充下去，便形成了空穴电流。 所以在本征半导体中，自由电子与空穴是成对 出现的 。由于自由电子和空穴所带电荷极性不 同，所以它们的运动方向相反，本征半导体中 的电流是两个电流之和。在本征半导体中有两 种载流子，即电子和空穴。电子和空穴均参与 导电，这是半导体导电的特殊性质。
1、势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽 度随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电 压而增多或减少，这种现象与电容器的充、 放电过程相同，耗尽层宽窄变化所等效的 这个电容称为势垒电容Cb。
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2、扩散电容
当PN结加正向偏压时，P区和N区的多子 就会在扩散过程中越过PN结成为另一方的 少子，称为非平衡少子。当正向偏压变化 时，相应地有载流子的“充入”和“放 出”，等效于电容的充、放电效应。因为 这一等效电容是由于载流子在扩散中产生 的电荷积累引起的，所以称为扩散电容Cd。 即C由j 此= C可b+见Cd，PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和，
络化、综合化、智能化方向发展。发展速度 之快、应用领域之广是人们难以预料的。
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三、课程特点、研究对象、体系结构
模拟电子技术基础是研究各种半导体器件的性能、 电路及其应用的学科。采用定性分析、定量估算 的模式。 模拟信号的放大、运算、处理、转换和产生。
先器件后电路、先小信号后大信号、先基础后应 用。 四、学习方法
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（a）硅和锗原子简化结构模型 (b)晶体的 共价键结构及电子空穴对的产生
•硅、锗原子结构模型及共价键结构示意图
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三、本征半导体中的两种载流子
物质内部运载电荷的粒子称为载流子。 物质的导电能力决定于载流子的数目和 运动速度。晶体中的共价键具有很强的 结合力，在热力学零度，价电子没有能 力脱离共价键的束缚，这时晶体中没有 自由电子，半导体不能导电。在室温下， 少数价电子因热激发而获得足够的能量， 因而脱离共价键的束缚变为自由电子， 同时在原来共价键处留下一个空位。这 个空位叫空穴。
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四、本征半导体中载流子的浓度 在本征半导体内，受激产生一个自由电
子必然相伴产生一个空穴，电子和空穴是成 对产生的，这种现象称为本征激发。在本征 半导体中，价电子受激产生电子—空穴对， 而自由电子在运动中，以会遇到空穴，并与 空穴相结合而消失，这一过程称为复合。在 一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合 都在不停地进行，最终处于一种动态平衡状 态，使半导体中的载流子浓度一定。且空穴 电子数相等。
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在形成的晶体结构的半导体中，掺入特 定的杂质时，导电性能具有可控性；并且在 光照和热辐射条件下，导电性还有明显的变 化。这些特殊的性质决定了半导体可以制成 各种电子器件。
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二、本征半导体中的晶体结构
单晶体即为本征半导体。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。
硅或锗原子组成晶体后，原子之间靠得很近， 每个原子的价电子不仅受自身原子核的束缚， 还受相邻原子的影响，致使价电子轨道交叠。 每个价电子有时绕自身原子核运动，有时也出 现在相邻原子所属的轨道上，为两个原子所共 有，形成共价键结构。
《模拟电子技术基础》 电子教案
宿州学院物理与电子工程系 电子学教研室
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课程说明
一、基本要求 （1）掌握模拟电子技术中基本电路的工作
原理、分析方法及简单估算方法；注重培养 定性分析能力、综合应用能力和创新意识。
（2）强调基础，突出重点。掌握模拟电子 技术基础知识、基本理论和重要知识点。
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（3）以分立元件、晶体管作为主要器件， 集成运放以应用为主。
1、PN结加正向电压时处于导通状态
电源的正极接P区，负极接N区，叫做加“正向 电压”或“正向偏置”。产生较大的正向电流。
2、PN结加反向电压时处于截止状态
电源的正极接N区，负极接P区，称为加反向电 压。PN结加正向电压时，耗尽层变窄，呈现较小 的正向电阻，正向电流较大；加反向电压时，耗 尽层增厚，呈现较大的反向电阻，反向电流很小。 PN结的这种正向导电性能好，而反向导电性能差 的特性，称为PN结的单向导电性。
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• 齐纳击穿发生在高浓度掺杂的PN结中。 因为杂质浓度很高，使耗尽层的宽度比 一般情况窄得多，即使外加反向电压不 高（5V以下），耗尽层中的电场强度就 已达到非常高的数值，以致把结内束缚 电子直接从共价键中拉出来，产生大量 载流子，发生齐纳击穿。
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五、 PN结的电容效应
PN结内有电荷的存储，当外加电压变化 时，存储的电荷量随之变化，表明PN结具 有电容的性质。这一电容由势垒电容和扩 散电容两部分组成。
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四、PN结的伏安特性
当PN结外加正向电压，且u远大于UT时，
I≈ISe
u
/
U T
；当加于PN结的反向电压增
大到一定数值时，反向电流突然急剧增
大，这种反向电流剧增的现象称为PN结
的反向击穿，对应于电流开始剧增的电
压，称为击穿电压。PN结击穿分“雪崩
击穿”和“齐纳击穿”两类。
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• 雪崩击穿的过程是这样的，当反向电压较高 时，结内电场很强，而结层又有一定的宽度， 在结内作漂移运动的少数载流子受强电场的 加速作用可获得很大的能量。它与结内原子 碰撞时，使原子的价电子摆脱束缚状态而形 成电子－空穴对。新产生的电子和空穴在强 电场作用下，再去碰撞其它原子，产生更多 的电子－空穴对。如此连锁反应，使耗尽层 中载流子的数量急剧增加，反向电流迅速增 大，PN结发生了雪崩击穿。雪崩击穿的本质 是碰撞电离。
半导体的导电性能对温度很敏感。
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1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入微量的合适杂质元素， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。这 些微量元素的原子称为杂质。掺杂后的半导 体称为杂质半导体，分N型和P型两种。
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一、N型半导体
• 在硅或锗的晶体中掺入五价元素后，杂质原子就 替代了晶格中某些硅原子的位置，多余的一个价电子 处在共价键之外，由于磷原子给出了一个多余的电子， 故称磷原子为施主杂质，也称N（Negative）型杂质。 磷原子给出一个多余的电子后，本身成为正离子，但 在产生自由电子的同时，并不产生空穴，这点与本征 半导体不同。正离子束缚在晶体中不能移动，所以它 不能参与导电。在掺磷后的硅晶体中同样也有本征激 发产生的电子－空穴对，但数量很少，因此，自由电 子数远大于空穴数，故称这种杂质半导体为N型半导 体。N型半导体中，电子为多数载流子（简称多子）， 空穴为少数载流子（简称少子）。
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电子技术理论的高速发展、技术的进步、创
新使电子产品更新换代速度越来越快，达到 了前所未有的速度。电子技术渗透到了全社 会的各个产品中，并不断产生着新产品门类。 模拟技术被数字化技术逐步取代，已成为技 术 进 步 的 总 趋 势 。 应 用 技 术 由 元 件 —— 集 成——单机应用——系统集成，并向实现网
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1·2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的几种常见结构
半导体二极管按其不同结构，可分为点接触 型、面结合型和平面型几类。
点接触型二极管由一根金属丝经过特殊工艺 与半导体表面相接，形成PＮ结。因而结面积 小，所以不能通过较大的电流，但结电容较 小，一般在1pF以下，工作频率可达100MHz以 上，但不能承受较高的反向电压和通过较大 的电流。这类管子适用高频电路、小功率整 流和脉冲数字电路中的开关。
种半导体制作在一起时会产生什么现象？ • PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？
它为什么具有单向导电性？在PN结加反向电 压时果真没有电流吗？ • 晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？ 场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？ 为什么它们都可以用于放大？
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1.1 半导体基础知识
半导体器件是构成电子电路的基本元件，它们所用 的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。
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PN结加正向电压 时处于导通状态
PN结加反向电压 时处于截止状态
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三、PN 结的电流方程
由理论分析可知，PN结所加端电压u与流过 它的电流i的关系为
i=IS（e qu / kT - 1） IS力 代 即为T学替=反3温，0向度0则K饱时，得和，Ki为=电UIT玻S流≈（耳2，e6兹mquV为曼/。U常电T 数子- 。电1）将量常K，T温/Tq为下用，热UT
注重基本概念、基础知识、电路的工作原理、电路 结构、技术要点。工程估算即近似计算。
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第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识 1·2 半导体二极管 1·3 双极型晶体管 1.4 场效应管