第一讲 绪论与半导体基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,模拟电子电路基础,绪 论,电子技术的发展简史,模拟与数字的关系“为什么学”,课程的特点“怎么学”,课程的考核方式“怎么考”,参考书目与课程资源,电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术。,一、电子技术的发展简史,现在的世界，电子技术无处不在：电视机、音响、,DVD,、数码相机、微电脑、工业流水线、因特网、机器人、航天飞机等等，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。,电子技术的应用,一、电子技术的发展简史,1906,年，电子管的发明拉开了现代电子学的序幕，它的诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路，计算机的历史也由此跨入新纪元。,1947,年，世界上第一个晶体管诞生了，它的发明给现代电子技术带来了革命性的变化。,1958,年，杰克,.,基尔发明了的一块锗集成电路，,1959,年，罗伯特,.,诺伊斯发明了世界上的一块硅集成电路，集成电路的发明开创了电子器件微型化的新纪元。,不久的将来，量子器件和以分子（原子）为基础的纳米电子学将成为集成电路技术领域的研究热点。智能计算机、光子计算机、生物芯片、微机电系统将离我们的现实生活不远。,集成电路自发明以来，就一直以惊人的速度发展。摩尔曾预言，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番，这就是著名的摩尔定律。摩尔的预言当时听起来象是科幻小说，但是令人惊奇的是该预言竟然,40,多年来一直有效而准确。计算机从庞然大物变成多数人不可或缺的便携工具，集成电路带动的新技术给社会带来了翻天覆地的变化。,二、模拟与数字的关系“为什么要学”,1,、电子电路中信号的分类,数字信号：,离散性,时间离散：,数值离散,:,数值的变化总是发生在离散的瞬间。,只有,0,和,1,两种值。,数字电路处理数字信号,模拟信号：,t,u,连续性,时间、数值都连续：,任何瞬间、任何值都是有意义的。,实际中大多数物理量为连续的模拟信号。,模拟电路处理模拟信号,t,u,1,0,0,0,1,1,0,1,2,、数字时代模拟也精彩，模拟有其不可取代性,但是，即便数字系统的性能再优异，如果没有模拟组件的搭配，就无法充分发挥数字系统的性能优势，甚至也不能构成完整的数字产品。在数字系统中，模拟电路一直忠实地执行着将现实世界中的声、光、电、力等模拟信号转换为数字世界可以处理的,“,0,”,和,“,1,”,等数字信号，并在经过一定的信号处理流程后，又将这些数字信号转换为能够被现实世界中的用户接受和理解的模拟信号。,“,中间是数字，两头是模拟，模数不分家,”,21,世纪信息化时代的今天，人们进入“数字时代”。近年来，一件件具有开创性甚或是颠覆性的数字消费产品不断冲击着业界的神经和消费者的眼球。于是有人产生了“模拟技术迟早会被数字技术取代”的错误认知。,电子电路的发展，经历了从模拟到数字的进步，但不等于数字可以取代模拟。,三、课程的特点“怎么学”,1,、课程特点：工程性、实践性很强,（,1,）实际工程需要证明其可行性，强调定性分析。,（,2,）实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许 存在一定的误差范围，,定量分析为,“,近似估算,”,。,（,3,）注重实践：掌握常用电子仪器的使用方法；电子电路的测试方法；故障的判断与排除方法；,EDA,软件的应用方法。,2,、怎么学,(1),重点掌握“基本概念”、“基本电路”和“基本分析方法”,(2),学会全面、辨正地分析模拟电子电路中的问题,(3),注意,电路分析,中的基本定理、定律在模拟电子电路分 析中的应用。,四、课程的考查方式“怎么考”,1,、会看：读图、定性分析,学完本课程要达成什么目标？,2,、会算：读图、定量估算,分析问题的能力,3,、会选：电路形式、器件、参数,4,、会调：仪器使用、测试方法、故障诊断、,EDA,解决问题的能力,综合应用所学知识的能力,考试方式：期末闭卷考试,成绩构成：平时（,20,）期考（,80,）,五、参考书目与课程资源,1,、康华光电子技术基础,模拟部分（第四版）高等教育出版社，,2006,2,、杨素行模拟电子技术基础简明教程（第三版）高等教育出版社，,2006,3,、华成英模拟电子技术基础（第四版）高等教育出版社，,2006,4,、华成英,.,帮你学模拟电子技术基础,-,释疑,.,解题,.,考试,.,高等教育出版社，,2004,5,、陈大钦等模拟电子技术基础学习与解题指南 武汉：华中科技大学出版社，,2003,课程网址：,http:/202.193.64.136/,或,http:/,ocw, 半导体基本器件及其应用,学时数：,12,内容框架：,半导体的导电性能,PN,结的形成及基本特性,二极管,稳压管,双极型三极管,单极型三极管,结构,特性,电路模型,应用电路,工作特点,应用,结构,工作原理,特性曲线,电路模型,结构,工作原理,特性曲线,电路模型,重点和难点：,1,、二极管的特性及应用电路,2,、,BJT,的工作原理、特性和小信号模型,3,、,FET,的工作原理、特性和小信号模型,1-1,半导体基础知识,问题：,1,、半导体材料中存在哪几种载流子？它们的浓度决定于哪些因素？,3,、半导体中的载流子有哪些运动形式？,相关概念：,本征半导体、本征激发；,N,型半导体、,P,型半导体；,多子、少子；,扩散电流、漂移电流,半导体材料,本征半导体,杂质半导体,半导体中载流子的运动,主要内容：,2,、影响半导体温度稳定性的主要因素是什么？,1,、什么叫半导体,导电性介于导体和绝缘体之间的物质。,常用的半导体材料为硅、锗。,一、半导体材料,导体,：一般为低价元素，其最外层电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在外电场作用下定向移动形成电流。如铁、铜、铝等金属元素。,绝缘体,：一般为高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），其最外层电子原子核的束缚力很强，很难成为自由电子，导电性极差。,半导体,：常用的半导体为四价元素（如硅、锗），它们的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间，因而其到点性能也介于这两者之间。,2,、半导体的独特性质,（,1,）掺杂性：掺入微量的杂质可使其电阻率大大降低。,（,2,）热敏性：一些半导体的电阻率随温度的上升而明显下降。,（,3,）光敏性：一些半导体的电阻率随光照的增强而明显下降。,二、,本征半导体,纯净的晶体结构的半导体。,1,、本征半导体的共价键结构,+4,惯性核,价电子,+14,Si,+32,Ge,简化的原子结构模型,半导体的原子间以共价键结合，,制造半导体器件的半导体材料纯度要达到,99.9999999%,，常称为“九个,9”,。,即相邻两个原子的最外层电子形成共用电子对（即共价键），构成一种非常稳固的结构。,2,、本征激发,（,1,）,T=0K(,273,C,）,，且无外界其他能量激发时，价电子不能挣脱共价键的束缚，晶体中没有自由电子，半导体不能导电。,（,2,）本征激发（热激发）：,自由电子,价电子获得足够能量,T,（,或光照）,空 穴,自由电子在无序的运动过程中有可能与空穴相遇而,复合,。,在一定的温度下，自由电子和空穴对的产生和复合达到动态平衡，电子和空穴的浓度相等。,自由电子,空穴,成对出现,温度升高，电子的热运动加剧，挣脱共价键的价电子增多，自由电子和空穴的浓度升高。,（,3,）本征半导体中的两种载流子,载流子,运载电荷的粒子。,自由电子,空穴,自由电子,：在外电场的作用下产生定向移动，运动方向与电 场方向相反，,是一种带负电荷的载流子,。,空穴,：在外电场的作用下，空穴附近的价电子会,依次递补,空穴，相当于空穴在晶体中移动，由于空穴的运动方向与电子的运动方向相反，所以空穴,是一种带正电荷的载流子,。,结论,：,常温下本征半导体存在两种载流子，自由电子和空穴，两者浓度相等。,在外电场作用下，自由电子和空穴 的运动方向相反，外部电流是两种 运动的叠加。,本征半导体的,导电性能与温度密 切相关，在一般的温度下条件，,导电性极差,。,动画演示,三、,杂质半导体,在本征半导体中人为掺入特定杂质而形成,1,、,N,型半导体（电子型,Negative,）,杂质原子,提供多余电子,(,施主杂质,),自由电子,(,浓度大,),用扩散工艺将本征半导体中的某些硅原子用,5,价元素,(P),代替。,室温,挣脱束缚,多数载流子,自由电子,空 穴,(,浓度低）,本征激发,少数载流子,(,多子,),(,少子,),N,型半导体中电子浓度大，主要靠电子导电，称为,电子型半导体,。,5,5,问题：,空穴比未加杂质时多了？还是少了？为什么？,结论：,（,1,）,N,型半导体中多子是电子，主要由掺杂产生，多子浓度近似 等于杂质浓度。,（,2,）,N,型半导体中少子是空穴，由本征激发产生，少子浓度受 温度影响很大。,5,3,用扩散工艺将本征半导体中的某些硅原子用,3,价元素,(B),代替。,2,、,P,型半导体（空穴型,Positive,）,杂质原子,产生空穴,(,浓度大）,(,受主杂质,),多子,自由电子,(,浓度低）,空 穴,本征激发,少子,P,型半导体中多子是空穴，主要靠空穴导电，称为,空穴型半导体,。,结论：,（,1,）,P,型半导体中多子是空穴，主要由掺杂产生，多子浓度近似等于杂质浓度。,（,2,）,P,型半导体中少子是电子，由本征激发产生，少子浓度受温度影响很大。,(,接受电子,),3,、杂质半导体的特点,（,1,）杂质半导体主要靠多数载流子导电。,（,2,）多子的浓度近似等于掺杂的浓度，掺入的杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性能可控。,（,3,）少子由本征激发产生，浓度很小，但是受温度影 响很大，是影响半导体温度稳定性的主要因素。,思考题：,（,1,）在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？,（,2,）多子和少子变化的数目相等吗？,（,3,）多子和少子变化的浓度相等吗？,四、,载流子在半导体中的运动,1,、漂移运动和漂移电流,E,V,在外电场作用下，自由电子和空穴对电流的贡献是叠加的。,电场作用,电子沿电场的反方向运动,空穴沿电场方向运动,载流子的漂移运动,漂移电流,2,、扩散运动和扩散电流,X,光照,载流子浓度差,扩散运动,扩散电流,扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓度差引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度低的区域进行。,结论,：,半导体中的载流子存在两种运动形式，一是电位差即 电场 产生的漂移运动，二是浓度差产生的扩散运动。,扩散运动：物质因浓度差而产生的运动。,1-2 PN,结原理,相关概念：,空间电荷区、,势垒、,正偏、反偏,PN,结的形成,PN,结的单向导电性,PN,结的电容效应,主要内容：,势垒电容、扩散电容,反向饱和电流、,在一块半导体基片上，通过扩散工艺，将半导体的一侧掺成,P,型半导体，另一侧掺成,N,型半导体，在两者的交界面处将会形成一个,“,PN,结”,，,PN,结是半导体器件的基本结构单元。,P,N,一、,PN,结的形成,P,区空穴浓度远远高于,N,区,N,区电子浓度远远高于,P,区,P,N,1,、多子的扩散运动,P,N,在,N,型和,P,型半导体的界面两侧，电子和空穴的浓度相差悬殊，导致载流子的扩散运动。,N,区中的电子,向,P,区,扩散,在,N,区留下正离子,P,区中的空穴,向,N,区扩散,在,P,区留下负离子,伴随着扩散和复合运动的进行，在,P,、,N,型半导体的界面附近载流子浓度下降，形成了一个带电的空间电荷区。,空间电荷区,空间电荷区中缺少能够自由移动的载流子，所以也称为,耗尽层,。,2,、内建电场与少子的漂移运动,内建电场：,E,由,N,区指向,P,区,内建电场,促使少子的漂移运动,多