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,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,模拟电子技术基础,第一讲 绪论,本课程是入门性质的技术基础课,一、电子技术的发展,1947,年 贝尔实验室制成第一只晶体管,1958,年 集成电路,1969,年 大规模集成电路,1975,年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有,4,个晶体管，而,1997,年一片集成电路上有,40,亿个晶体管。科学家预测集成度按,10,倍,/6,年的速度还将继续到,2015,或,2020,年，将达到饱和。,二、模拟信号与模拟电路,1.,电子电路中信号的分类,数字量：离散性,模拟量：连续性，大多数物理量，如温度、压力、流量、液面,均为模拟量。,2.,模拟电路,模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。,放大：能量的控制。输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。,有源元件：能够控制能量的元件。,三、“模拟电子技术基础”课程的特点,工程性,实际工程需要证明其可行性。,强调定性分析。,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误差范围的。,定量分析为“估算”。,近似分析要合理。,抓主要矛盾和矛盾的主要方面。,电子电路归根结底是电路。,不同条件下构造不同模型。,实践性,常用电子仪器的使用方法,电子电路的测试方法,故障的诊断与排除方法,EDA,软件的应用方法,五、课程目的,掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验技能,具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力，将所学知识用于本专业的能力。,建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。,会看：读图、定性分析,会算：定量计算、,CAD,考察分析问题的能力,会选：电路形式、器件、参数,考察解决问题的能力,-,设计能力,会调：测试方法、仪器选用、,EDA,考察解决问题的能力,-,实践能力,六、考察方法,综合应用所学知识解决问题,第一章 半导体器件,一、本征半导体,1.,什么是半导体？什么是本征半导体？,导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。,导体,-,铁、铝、铜等金属低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体,-,惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体,-,硅（,Si,）、锗（,Ge,），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,半导体,的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能,力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使,它的导电能力明显改变。,11,本征半导体：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构：,13,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为,束缚电子,，常温下束缚电子很难脱离共价键成为,自由电子,，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,+4,+4,+4,+4,15,3.,本征半导体中的两种载流子,在绝对,0,度,（,T,=0K,）,和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即,载流子,），它的导电能力为,0,，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为,自由电子,，同时共价键上留下一个空位，称为,空穴,。,载流子、自由电子和空穴,16,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引附近的价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即,自由电子,和,空穴,。,18,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.,自由电子移动产生的电流。,2.,空穴移动产生的电流。,19,二、,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P,型半导体：,空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N,型半导体：,自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,20,1.N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为,施主原子,。,21,+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,N,型半导体中的载流子是什么？,1.,由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.,本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为,多数载流子（多子），,空穴称为,少数载流子（少子）,。,22,3.,杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,杂质,型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子,。近似认为多子与杂质浓度相等。,24,3.,杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,25,1.,PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,三、,PN,结的形成及其单向导电性,26,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。形成,PN,结。,28,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,电位,V,V,0,29,+,+,+,+,R,E,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,31,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,32,四、,PN,结的电容效应,势垒电容,C,B,：,势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是,势垒电容,。,扩散电容,C,D,：,为了形成正向电流（扩散电流），注入,P,区的少子（电子）在,P,区有浓度差，越靠近,PN,结浓度越大，即在,P,区有电子的积累。同理，在,N,区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。,这样所产生的电容就是扩散电容,C,D,。,P,+,-,N,34,C,B,在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN,结的结电容不是常量，当频率高到一定程度时,PN,结就失去了单向导电性！,势垒电容和扩散电容的综合效应,r,d,PN,结高频小信号时的等效电路：,35,36,
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