第二節　模擬電子技術基礎

電子技術就是研究電子器件及電路系統設計、分析及制造的工程實用技術。目前電子技術主要由模擬電子技術和數字電子技術兩部分組成。

通常我們把由電阻、電容、三極管、二極管、集成電路等電子元器件組成并具有一定功能的電路稱為電子電路，簡稱為電路。

一個完整的電子電路系統通常由若干個功能電路組成，功能電路主要有：放大器、濾波器、信號源、波形發生電路、數字邏輯電路、數字存儲器、電源、模擬/數字轉換器等。

在電子技術迅猛發展的今天，電子電路的應用在日常生活中無處不在，小到門鈴、收音機、DVD播放機、電話機等，大到全球定位系統GPS（Global Positioning Systems）、雷達、導航系統等。

一、本征半導體

純凈的具有晶體結構的半導體稱為本征半導體，本征半導體結構如圖1-3所示。

1.導體、半導體和絕緣體

導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。

絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。

半導體的導電機理不同于其他物質，所以它具有不同于其他物質的特點。例如：

（1）當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。

（2）往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。

2.本征半導體

完全純凈的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。

將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結構為共價鍵結構。

當溫度T=0K時，半導體不導電，如同絕緣體。

3.本征半導體中的兩種載流子

若溫度升高，將有少數價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱。

4.本征半導體中載流子的濃度

在一定溫度下本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。

二、雜質半導體

雜質半導體有兩種：N型半導體和P型半導體。

1.N型半導體（圖1-4）

在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成N型半導體（或稱電子型半導體）。

常用的5價雜質元素有磷、銻、砷等。

本征半導體摻入5價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質原子代替。雜質原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。

自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即n?p。電子稱為多數載流子（簡稱多子）。空穴稱為少數載流子（簡稱少子）。5價雜質原子稱為施主原子。

2.P型半導體（圖1-5）

在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成P型半導體。3價雜質原子稱為受主原子。空穴濃度多于電子濃度，即p?n。空穴為多數載流子，電子為少數載流子。

說明：

（1）摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。

（2）雜質半導體載流子的數目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。

（3）雜質半導體總體上保持電中性。

3.PN結

在一塊半導體單晶上一側摻雜成為P型半導體，另一側摻雜成為N型半導體，兩個區域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結。

PN結中載流子的運動：

擴散運動：電子和空穴濃度差形成多數載流子的擴散運動。

擴散運動形成空間電荷區——PN結，耗盡層。空間電荷區產生內電場。

4.漂移運動

內電場有利于少子運動——漂移運動。

少子的運動與多子運動方向相反。

5.擴散與漂移的動態平衡

擴散運動使空間電荷區增大，擴散電流逐漸減小；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN結總的電流等于零，空間電荷區的寬度達到穩定。即擴散運動與漂移運動達到動態平衡。

三、PN結的單向導電性

1.PN結外加正向電壓時處于導通狀態（正偏）

在PN結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。

2.PN結外加反向電壓時處于截止狀態（反偏）

（1）反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；

（2）外電場使空間電荷區變寬；

（3）不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流I；由于少數載流子濃度很低，反向電流數值非常小。

綜上所述：

（1）當PN結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，PN結處于導通狀態；

（2）當PN結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結處于截止狀態。

可見，PN結具有單向導電性。