模拟电子技术题目解答第一部分共17题

【题目5】：掺杂半导体中的多数载流子和少数载流子在数量上有什么关系？    

【相关知识】：多数载流子的数量与所掺入的“杂质”浓度相关，而少数载流子的数量不仅与热激发有关，还与电子和空穴的复合机会相关。

【解题方法】：除定性理解外，还应有定量的计算，帮助了解半导体在掺杂后多数载流子和少数载流子的数量关系。

【解答过程】：在本征半导体中，掺入5价元素后，其中的电子载流子数量增加，而空穴载流子的数量反而比本征时更低，形成了电子为多子，空穴为少子的N型半导体。

        假若在本征半导体中，掺入3价元素，则空穴载流子数量增加，而电子载流子反而比本征时更少，形成了空穴为多子，电子为少子的P型半导体。

        由理论分析可得，在热平衡的条件下，任何一种半导体内，其两种载流子的乘积为一定值，即

        可见，所掺入的杂质越多，其多子越多，而少子将越少。少子虽数量少，但它是由热激发所产生的，所以对半导体的温度特性有明显的影响。

        在N型半导体中，每掺入一个5价元素的杂质原子，就提供了一个自由电子（称施主原子），所以N型半导体中的多子（电子）浓度为

，        ND—施主浓度

        而少子浓度：

        在P型半导体中，每掺入一个3价元素的杂质原子，就提供了一个空穴载流子（称受主原子），所以P型半导体中的多子（空穴）浓度

，        NA—受主浓度

        而少子浓度：

    【题目6】：半导体内部的载流子有几种运动方式，怎样才能形成电流？    

【相关知识】：有关半导体物理方面的知识，如载流子因浓度差而引起的扩散运动；在电场力作用下载流子的漂移运动；由外加温度引起的载流子的热运动等。应理解因两种载流子运动相遇后会产生的复合现象等方面的知识。

【解题方法】：要正确回答该问题，首先应了解载流子产生热运动、漂移运动和扩散运动的原因、载流子荷电性质，以及载流子的定向运动才能形成电流。

【解答过程】：半导体内的载流子有三种运动：载流子的扩散运动，载流子的热运动和载流子的漂移运动。

        （1）热运动

        在没有任何电场作用时，一定温度下半导体中的自由电子和空穴因热激发所产生的运动是杂乱无障的，好像空气中气体的分子热运动一样。由于是无规则的随机运动，合成后载流子不产生定向位移，从而也不会形成电流。

        （2）漂移运动

        在半导体的两端外加一电场E，载流子将会在电场力的作用下产生定向运动。电子载流子逆电场方向运动，而空穴载流子顺着电场方向运动。从而形成了电子电流和空穴电流，它们的电流方向相同。所以，载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动，而漂移运动产生的电流称漂移电流。

        （3）扩散运动

        在半导体中，载流子会因浓度梯度产生扩散。如在一块半导体中，一边是N型半导体，另一边是P型半导体，则N型半导体一边的电子浓度高，而P型半导体一边的电子浓度低。反之，空穴载流子是P型半导体一边高，而N型半导体一边低。由于存在载流子浓度梯度而产生的载流子运动称为扩散运动。

        滴入水中的墨水会快速地向四周扩散，打开药品瓶盖，气味会很快充满整个房间等现象，是现实生活中扩散运动的典型例子，是自然界中的一种普遍规律。

        由于电子载流子和空穴载流子分别带负电和正电，扩散运动导致正负电荷搬迁，从而形成电流，这种由扩散运动形成的电流称扩散电流。

    【题目7】：载流子在运动中会消失吗？    

【相关知识】：本征半导体、掺杂半导体、电子载流子和空穴载流子的运动等。

【解题方法】：从一个原子失去电子和得到电子的物理过程加以理解。

【解答过程】：载流子在运动过程中，当电子载流子和空穴载流子相碰后两者都将消失，这种现象称为复合。

        在任何情况下，半导体中随时都存在载流子的“产生”和“复合”。当在平衡情况下（呈中性时），半导体中的载流子浓度实际上“产生”和“复合”保持着动态的平衡。

        在半导体三极管时，经常会碰到电压的温度档量VT，这个量如何理解？

        在半导体中，载流子的扩散和迁移都属统计热力学现象，只是反映了载流子伴随热运动的两种不同运动形式，所以扩散常数D和迁移率μ有关。两者之间的关系由爱因斯坦方程表示

        式中Dp、Dn分别是空穴和电子载流子的扩散常数，μp、μn是空穴和电子的迁移率，VT是电压的温度档量（热电势）。

    【题目8】：为什么半导体器件的性能受温度影响较大？    

【相关知识】：多数载流子和少数载流子，热激发对电子—空穴对数量的影响。

【解题方法】：着重说明载流子的热激发对多子和少子的增长比例不同。

【解答过程】：在半导体器件内部，当环境温度升高时，热运动加剧，致使共价键中价电子的能量加大，所以有更多的电子挣脱共价键的束缚，此时，两种载流子将以同样数目增长。因为多数载流子数目很多，因而相对增长量较小；而少数载流子数目很少，故相对增长量很大。因此，尽管少数载流子的浓度远低于多数载流子，但它对温度的敏感性对半导体器件性能的影响是显著的。

        对于半导体二极管，在热力学温度300K附近，温度每升高1℃，正向压降减小2～2．5mV；温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。

    【题目9】：二极管可以用不同的折线化模型等效，如图E4a20121001-01Z (a)、(b)、(c)所示，它们各适用在什么场合？    

【相关知识】：PN结的数学模型和二极管的伏安特性曲线。

【解题方法】：在二极管特性曲线上的某一点附近的微小电压变化和由此引起的电流变化来表征，由于电压和电流变化都非常小，所以可以将二极管特性曲线上的某一小段近似用直线表示。根据要求的准确度不同，可以采用多种折线化的特性等效法。

【解答过程】：在近似分析中，可将二极管的伏安特性折线化，并由此得到不同的等效电路，如图E4a20121001-01Z所示，它们的共同特点是截止时反向电流近似为零。图（a）所示为理想二极管的伏安特性，可等效为一个理想开关。二极管正向导通时，正向电压为零；反向截止时，其反向电流为零。

        图（b）所示伏安特性表明二极管在正向导通时，其两端电压用一等效电压常量Uon表示，在工程上通常硅管Uon为0.7V,锗管为0.3V计算；

        图（c）所示伏安特性表明二极管的导通电压与电流成线性关系，即过Q点的切线表示，为直流等效电阻，且动态电阻。在工程的近似分析中应根据具体情况选择不同的等效电路。

图E4a20121001-01Z 由折线化伏安特性获得的二极管等效电路

（a）理想二极管（b）导通电压为常量（c）导通电阻为常量（d）直流电源作用于二极管关系

        在图（d）所示电路中，设二极管为硅管，则其导通电压Uon约为0.6～0.8V。若V＝15V，远大于Uon，则可认为I≈V/R=15mA；若V＝6V，可取Uon＝0.7V，则I≈（V-Uon）/R=5.3mA；与实际电流的误差不会超过5％。若V＝2V，则Uon取0.5～0.8V中不同的值时计算出的值相差很多，因而需实测所用二极管的伏安特性，利用第二章所述图解法求出Q点，得到UD、I和rD。可见，应根据V的数值和所能容许的误差来决定采用哪个等效电路。