第一章:晶体二极管 3、随着半导体工艺的发展,五十年代末得克萨斯仪器公司的基尔 白、仙童半导体公司的诺依斯等人研究实现了集成电路,实现了管 路结合,以后集成度越来越髙,岀现了超大规模集成电路,这是电 子学的又一次革命,也是近代科学技术发展的新的标志
第一章：晶体二极管 电子线路是电子学的一门应用学科，是现代先进科学的组成部分之 一，也是发展迅速的学科之一。1、最早在1883年，托马斯·爱迪生 再改进白炽灯的实验中，发现了爱迪生效应，但他当时未能认识到 这一发现的重要意义。直到1907年L ·De ·Forest（李·德·弗列斯特 ）研制了电子三极管，使电子学进入实用阶段并作为一门新兴科学 而崛起，由于有了利用电子三极管制作的放大器和振荡器电路，才 使我们今天所熟悉的无线电和电视广播成为现世，其他诸如雷达、 自动导航、立体声放大器和计算机等的应用，也无不归功于电子三 极管的发明，而在这一发明 的推动下，开创了伟大的技术和社会 革命。然而，电子管有它固有的弱点，管子的灯丝必须加热至足够 的温度以便使阴极发射电子，灯丝电压和电流的典型值是6.3(V)和 0.3(A)，即大约2（W）功率，最早的第一台电子数字计算机约用了 18，000只电子管，需供36，000（W）的功率，另外电子管还有体 积大、寿命短、转换速率受限制等缺点。 2、到1947年晶体管的发明才克服了电子管的这些缺点，引起了电 子学的又一次革命，晶体管是约翰·巴丁、沃尔特·布雷登和威廉·肖 克莱共同发明，该发明促成了计算机、通信等方面的飞速发展，鉴 于它的重要价值，这些人共同获得了1956年的诺贝尔物理机奖。单 个电子器件与元件组成的电路称为分立电路，复杂的分立电路由于 焊点多及布线等影响了可靠性及精度的提高。 3、随着半导体工艺的发展，五十年代末得克萨斯仪器公司的基尔 白、仙童半导体公司的诺依斯等人研究实现了集成电路，实现了管 路结合，以后集成度越来越高，出现了超大规模集成电路，这是电 子学的又一次革命，也是近代科学技术发展的新的标志
本章主要内容简介(略)
•本课程的主要内容简介：1、半导体器件：是本课程基础部分， 主要包括半导体物理基础知识，二极管、晶体三极管、场效应管 工作原理及应用原理。2、放大器基础：是本课程重点之一，主要 包括放大器的静态分析、动态分析及性能指标，单管放大电路， 组合放大电路，差分放大电路，电流源电路及应用，集成功率放 大电路，集成运算放大电路，放大器的频率分析和噪声分析。3、 放大器中的负反馈，是课程重点和难点之一，主要包括反馈放大 器的组成和类型，负反馈放大器的性能分析，深度负反馈计算， 负反馈放大器的稳定性分析。4、集成运算放大器及其应用电路， 是课程又一个重点和难点，主要包括集成运算放大器应用电路的 组成原理（加减乘除比例对数指数开平方等各类算术运算、有源 滤波、精密测量放大器和仪器放大器、电流传输器等），集成运 算放大器性能参数及其对电路的影响，集成电压比较器。 •学习方法：本课程是两个专业的主干基础课，也是学习《非线性 电路》（谐振功放、振荡器、调制解调、锁相环）、通信、计算 机应用等必备的基础，学习中应着重掌握各类放大器的工作原理、 特点、应用和分析方法。1、由于器件的非线性，在线性应用时需 要进行近似处理。2、对各类放大器应掌握其静态分析方法（判断 放大器工作和动态分析方法，应具备较高的电路分析能力。3、一 定量的习题训练是十分必要的，一般需要100--200道题的训练量， 一定要独立完成作业。4、重视实验环节，具备一定的动手能力和 电路设计能力才算真正理解和掌握了本课程的基本知识点。 本章主要内容简介（略）
本征激发和复合:在温度升高和受到光线照射时,共价键中的 价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子,在共价键中留下相同数量 的空穴(可以看作带正电的离子或载流子)这种现象称为本征激发 空穴形成后,邻近共价键中的价电子受它的吸引作用很容易跳过去 填补空穴,这样空穴便转移到邻近共价价键中去,因此就出现价电 子和空穴两个相反方向的运动,半导体正是依靠自由电子和空穴两 种载流子导电的物质。所谓复合是指自由电子在热骚动过程中与空 穴相遇而释放能量,造成自由电子-空穴对的消失
1.1 半导体物理基础知识 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，它的电阻 率在（10-3--109） .cm范围内，主要有硅（主要材料）、锗、砷 化镓（高频高速器件）等。 一、本征半导体 1、本征半导体：硅和锗的单晶（整块晶体内部晶格排列完全一致 或原子在空间排列成很有规律的空间点阵）称为本征半体（将纯净 原材料及需要的杂质放在坩埚中加热至熔点Si=14200C使其融化为晶 体，用一块小晶体与液面接触，将籽晶上拉即可生成新的晶体，另 一种办法是用高频感应加热硅棒，使其局部融化，冷却后成为单晶） Si：1S22S22P63S23P2 {内层原子核称为惯性核} Ge：1S22S22P63S23P63P104S24P2 { 2N2个电子旋转方向的不同分布} 它们最外层都有四个价电子，形成单晶时，每个价电子和邻 近原子的价电 子形成共价键。 在热力学温度0K时和没有外界影响条件下，价电子束缚在共 价键中，不能自由移动，不是自由电子，是良好的绝缘体。 2、本征激发和复合：在温度升高和受到光线照射时，共价键中的 价电子挣脱共 价键的束缚成为自由电子，在共价键中留下相同数量 的空穴（可以看作带正 电的离子或载流子）这种现象称为本征激发。 空穴形成后，邻近共价键中的 价电子受它的吸引作用很容易跳过去 填补空穴，这样空穴便转移到邻近共价价键中去，因此就出现价电 子和空穴两个相反方向的运动，半导体正是依靠自由电子和空穴两 种载流子导电的物质。所谓复合是指自由电子在热骚动过程中与空 穴相遇而释放能量，造成自由电子--空穴对的消失
导带 ●●●●●●●●●●0●●●●●●● E 禁带 E 图1-1 -EV 价带oooo0oo0o0000 为了计算自由电子的浓度,还应知道状态密度函数Ne(E),它表 示单位
3、费米能级与热平衡载流子浓度：根据量子统计理论可知，在温 度为T时（晶体处于热平衡状态），能量为E的状态被电子占有的几 率为： F（E）={1+EXP[（E-EF）/KT]}-1 其中T 是绝对温度（室温T=3000K） K是玻尔兹曼常数 K=1.3810-23焦耳/ 0K EF是费米能级，E= EF状态被电子占有的几率为1/2 在原子中，电子所具有的能量状态不是连续分布的，而是离 散的，每一个能量状态对应一个能级，能级是量子化的，其分布如 下图1-1所示： 导带 • • • • • • • • • • • • • • • • • • ——————————Ec 禁带 – – –– – – – – – – – – – – EF 图1-1 ——————————Ev 价带 o o o o o o o o o o o o o 为了计算自由电子的浓度，还应知道状态密度函数 Ne（E），它表 示单位
杂质半导体 在本征半导体中,掺入一定量的杂质元素就成为杂质半导体, 分为N型和P型若掺入五价元素的杂质(磷、锑或砷),则是N型半 导体,若掺入三价元素(硼、镓、铟),则是P型半导体 1、N型半导体:磷有五个价电子,而只需拿出四个与相邻的硅原 子进行共价键结合,多余一个电子未被束缚在共价键中,仅受磷原 子核内的正电核吸引比共价键弱),在常温下很容易挣脱束缚成为 自由电子(施主杂质能级比较高,接近导带,常温下几乎全部电离 成为自由电子),磷原子因少一个电子成为带正电荷的磷离子(但 其束缚在晶格中,不能移动,不能象载流子,那样起导电作用), 因其施放电子,故称施主杂质。与本征激发相比,N型半导体中自 由电子浓度大大增加,而空穴因与自由电子相遇而复合机会增加 浓度反而更小了。杂质半导体中载流子浓度不再相等,多的称为多 数载流子又称多子,少的称为少数载流子,又称少子
体积内和单位能量范围内（ev电子伏特）允许电子占有的能量状态 数目，自由电子均处在导带内，空穴均处在价带内，处在导带内的 自由电子至少具有 Ec能量，因此本征半导体中自由电子的浓度为： Ni =EcNe（E）•F（E）d E= AT3/2EXP [-Eg0 /KT] 式中A是常数（硅为3.88×1016cm-3K-3/2 锗为1.76 ×1016cm-3K-3/2 ） Eg0是T=0K即-273OC时的禁带宽度室温下计算的： 硅的Ni =1.5 ×1010 cm-3 锗的Ni =2.4 ×1013 cm-3 而在金属导体中，自由电子浓度可达10221023 cm-3 ，相比之 下导电能力差， 不能产生二极管、三极管所需的导电机制，必须采 取措施（如掺杂）。 二、 杂质半导体 在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素就成为杂质半导体， 分为N型和P 型若掺入五价元素的杂质（磷、锑或砷），则是N型半 导体，若掺入三价元 素（硼、镓、铟），则是P型半导体。 1、N型半导体：磷有五个价电子，而只需拿出四个与相邻的硅原 子进行共价键结合，多余一个电子未被束缚在共价键中，仅受磷原 子核内的正电核吸引比共价键弱），在常温下很容易挣脱束缚成为 自由电子（施主杂质能级比 较高，接近导带，常温下几乎全部电离， 成为自由电子），磷原子因少一个电子成为带正电荷的磷离子（但 其束缚在晶格中，不能移动，不能象载流子， 那样起导电作用）， 因其施放电子，故称施主杂质。与本征激发相比，N型半导体中自 由电子浓度大大增加，而空穴因与自由电子相遇而复合机会增加 浓度反而更小了。杂质半导体中载流子浓度不再相等，多的称为多 数载流子 又称多子，少的称为少数载流子，又称少子
2、P型半导体:硼只有三个价电子,在与相邻的硅原子形成共价键 时,缺少一个价电子,因而形成一个空穴,这个空穴不是释放价电 子形成的,不会同时产生自由电子,而自由电子因与空穴相遇而复 合机会增加浓度反而更小了 当空穴由相邻共价键中的价电子填补时(相当于空穴移动) 硼原子由于接受一个电子成为带负电的硼离子(受主杂质能级比较 低,接近价带,常温下价带中价电子很容易获得能量来填补这个能 级,从而产生空穴),因其接受电子而产生空穴,称为受主杂质 3、杂质半导体的载流子浓度:在杂质半导体中,载流子是由杂质 电离和本征激发两个过程产生的,杂质电离只能产生一种载流子 (施主杂质是自由电子,受主杂质是空穴),在常温下杂质原子几 乎全部电离,由杂质电离产生的载流子浓度等于掺入杂质的浓度 掺杂越多,多子数目就越多,少子数目就越少,但它们之间的定量 关系服从下面两个约束
2、P型半导体：硼只有三个价电子，在与相邻的硅原子形成共价键 时，缺少一 个价电子，因而形成一个空穴，这个空穴不是释放价电 子形成的，不会同时 产生自由电子，而自由电子因与空穴相遇而复 合机会增加浓度反而更小了。 当空穴由相邻共价键中的价电子填补时（相当于空穴移动）， 硼原子由于接 受一个电子成为带负电的硼离子（受主杂质能级比较 低，接近价带，常温下 价带中价电子很容易获得能量来填补这个能 级，从而产生空穴），因其接受 电子而产生空穴，称为受主杂质。 3、杂质半导体的载流子浓度：在杂质半导体中，载流子是由杂质 电离和本征激 发两个过程产生的，杂质电离只能产生一种载流子 （施主杂质是自由电子， 受主杂质是空穴），在常温下杂质原子几 乎全部电离，由杂质电离产生的载 流子浓度等于掺入杂质的浓度。 掺杂越多，多子数目就越多，少子数目就越 少，但它们之间的定量 关系服从下面两个约束：
例题:一块本征硅片,先掺入浓度为8×10-6cm3的五价砷原子,再 掺入浓度为5×1017cm3的三价硼原子,问它为何种杂质半导体,并 求室温时多子和少子的热平衡浓度值 解:由于Na大于Nd,结果是Nd释放的自由电子全部填入Na产生 的空穴外,还余下(Na-Nd)个空穴,因而杂质半导体由N型转 变为P型。 根据电中性条件:P=Na-Nd+N6≈Na-Nd=42×1017cm3相应 少子浓度N=(N/P0)=54×102cm3 杂质半导体的多子浓度与温度无关,而少子浓度与N成正比,因 而随温度升高而迅速增大,直到少子浓度增大到与多子浓度相当, 杂质半导体又恢复到类似的本征半导体,少子浓度的温度敏感特性 是导致半导体器件温度特性差的主要原因
（1）、在热平衡状态下，满足相应的热平衡条件：当温度一定时， 两种载 流子热平衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值Ni的平方。 即 N0P0=Ni2 （2）、满足电中性条件，整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷 量。若施 主杂质浓度为Nd，则带正电的有已电离的杂质原子和少 子空穴，带 负电的 仅是多子自由电子，这样电中性条件为： N0= Nd+P0 由热平衡条件得： （ Nd+P0）P0= Ni2 由于Nd》 P0 故： Nd P0 Ni2 同理对受主杂质： （ Na+N0）N0= Ni2 由于Na》 N0 故： NaN0 Ni2 Na 为受主杂质浓度。 例题：一块本征硅片，先掺入浓度为8×1016cm-3的五价砷原子，再 掺入浓度为5×1017cm-3的三价硼原子，问它为何种杂质半导体，并 求室温时多子 和少子的热平衡浓度值。 解：由于Na大于Nd，结果是Nd释放的自由电子全部填入Na产生 的空穴外，还 余下（ Na - Nd ）个空穴，因而杂质半导体由N型转 变为P型。 根据电中性 条件：P0= Na - Nd +N0 Na - Nd=4.2 ×1017cm-3 相应 少子浓度 N0 =（Ni2 /P0）=5.4 ×102cm-3 杂质半导体的多子浓度与温度无关，而少子浓度与Ni2成正比，因 而随温度升 高而迅速增大，直到少子浓度增大到与多子浓度相当， 杂质半导体又恢复到 类似的本征半导体，少子浓度的温度敏感特性 是导致半导体器件温度特性差的主要原因
三、漂移和扩散 半导体中有自由电子和空穴两种载流子,它们除了在电场作用 下形成漂移电流外,还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动, 形成相应的扩散电流,而导体中不存在扩散电流,也没有空穴漂移 电流,只有自由电子在电场作用下形成的漂移电流 1、漂移电流:载流子在外加电场作用下,形成漂移电流,如 下图1-2所示: 若设Jpt和Jnt分别为空穴和自由电子的漂移电流密度(单位截 面积的电流),则它们分别为: Jpt=qpupE Jnt=-(-q)nmnE 总的漂移电流密度:J= Jpt+ Unt,式中p和n分别为空穴和自由电子 电场方向 图1-2
+ V — 图1-2 三、漂移和扩散 半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们除了在电场作用 下形成漂移电 流外，还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动， 形成相应的扩散电流， 而导体中不存在扩散电流，也没有空穴漂移 电流，只有自由电子在电场作用 下形成的漂移电流。 1、漂移电流：载流子在外加电场作用下，形成漂移电流，如 下图1-2所示： 若设Jpt和Jnt分别为空穴和自由电子的漂移电流密度（单位截 面积的电流）， 则它们分别为： Jpt=qpPE Jnt = -（-q）nnE 总的漂移电流密度：Jt= Jpt+ Jnt，式中p和n分别为空穴和自由电子 电场方向
2、扩散电流:当半导体中载流子浓度分布不均时,就要出现扩散现 象如光照、注入载流子,半导体中热平衡遭到破坏,载流子浓度差 引起扩散,产生扩散电流扩散电流大小与浓度梯度成正比: JPD=-qDpdP(x)dx JD=-(qD,dn(x)/dx 存在载流子浓度差是半导体区别于导体的又一种特有现象在 导体中,只有一种载流子,如果其间存在着浓度差,则必产生自低浓 度向高浓度方向的电场,依靠电场力就会迅速将高浓度的电子拉向 低浓度处,因此,在导体中建立不了自由电子浓度差而在半导体中 存在两种载流子,当出现非平衡载流子后,建立浓度差时,仍能满足 处处电中性条件不会产生不同浓度之间的电场后面将会看到,在 杂质半导体中,由于自由电子和空穴的扩散形成PN结形成内建电场 扩散电
的浓度， q为电子电荷量，E为外加电场强度， P和n分别为空穴 和自由电子的迁移率温度越高，掺杂浓度越大，迁移率就越小， 硅中载流子迁移率比锗小，迁移 率半导体器件的工作速度或工作 频率，采用迁移率大的材料（如砷化镓）可 制作高速或高频的半 导体器件。 若半导体长度为L，截面积为S，则： V=E·L It=Jt ·S R=（V/ It）=ρ·L/S 其中电阻率ρ=E/ Jt =[q ·(p ·μp+n · μn )]-1 电导率σ=1/ ρ 本征半导体中,电阻率与本征载流子浓度成反比,杂质半导体σ 比本征半导体高的多,教材第8页例题中是六个数量级,光照使电导 率增加. 2、扩散电流: 当半导体中载流子浓度分布不均时,就要出现扩散现 象,如光照、注 入载流子,半导体中热平衡遭到破坏,载流子浓度差 引起扩散,产生扩散电流,扩 散电流大小与浓度梯度成正比: JPD= -qDPdP (x)/dx JnD= -(-q)Dndn (x)/dx 存在载流子浓度差是半导体区别于导体的又一种特有现象,在 导体中,只有一种 载流子,如果其间存在着浓度差,则必产生自低浓 度向高浓度方向的电场,依靠 电场力就会迅速将高浓度的电子拉向 低浓度处,因此,在导体中,建立不了自由电子浓度差,而在半导体中, 存在两种载流子,当出现非平衡载流子后,建立浓度 差时,仍能满足 处处电中性条件,不会产生不同浓度之间的电场.后面将会看到, 在 杂质半导体中,由于自由电子和空穴的扩散形成PN结,形成内建电场, 扩散电
流与漂移电流同时存在,而其内建电场的形成是由不能移动的带电离子形成的 12半导体PN结 在P型N型)半导体中,用杂质补偿的方法将其中一部分转换为N型(P型), 形成PN结,制造工艺有平面扩散法(高温)等。 动态平衡下的PN结: 1、阻挡层的形成:N型半导体中,施主杂质典礼后,形成大量的自由电子和 施主正离子,由于正离子受电子覆盖而处处保持电中性,P型半导体同样 受主负离子受空穴覆盖而处处保持电中性,而在P型和N型界面两侧明显 存在自由电子和空穴的浓度差异,N区中的自由电子向P区扩散,与P区空 穴复合;P区中的空穴向N区扩散,与N区自由电子复合,这样在PN结界 面附近形成少量不受自由电子和空穴覆盖的正负离子,即形成空间电荷区 又叫阻挡层(势垒区,耗尽区),并产生由N区正离子指向P区负离子的 内建电场,如下图1-3所示: P区 空间电荷区一N区 9000000o06060010ooe 图1-3 ee0000000000000100000 900066006:66%oe eeeeeeeee06⊕曲 0000OOE
流与漂移电流同时存在,而其内建电场的形成是由不能移动的带电离子形成的. 1.2 半导体PN结 在P型(N型）半导体中，用杂质补偿的方法将其中一部分转换为N型（P型）， 形成PN结，制造工艺有平面扩散法（高温）等。 一、动态平衡下的PN结： 1、阻挡层的形成：N型半导体中，施主杂质典礼后，形成大量的自由电子和 施主正离子，由于正离子受电子覆盖而处处保持电中性，P型半导体同样 受主负离子受空穴覆盖而处处保持电中性，而在P型和N型界面两侧明显 存在自由电子和空穴的浓度差异，N区中的自由电子向P区扩散，与P区空 穴复合； P区中的空穴向N区扩散，与N区自由电子复合，这样在PN结界 面附近形成少量不受自由电子和空穴覆盖的正负离子，即形成空间电荷区， 又叫阻挡层（势垒区，耗尽区），并产生由N区正离子指向P区负离子的 内建电场，如下图1-3所示： P区 ︱ 空间电荷区 ︱ N区 图1-3