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1第四版第1讲绪论半导体基础知识(修改)(精)

发布时间:

概述:

模拟电子技术基础

一、课程性质:电类专业入门性质的专业基础课(考研课) 二、研究对象:器件—基本电路—设备系统 任务:学*器件种类、结构、原理 学*基本电路工作原理、分析方法 培养分析问题、解决问题的能力 物理、高数、电路。 后续课: 先修课: 高频、数电… 三、课程特点:工程性、实践性

四、难点:1.器件非线性、交直流共存、叠加
2.“*似”处理(*似要合理,抓主要矛盾) 3.清楚为什么要分析直流、为什么要分析交 流,怎样分析直流、怎样分析交流

五、分析方法: 电路课程:严密推导、精确计算 模电课程:突出主要矛盾,作*似处理,有时图解 1.问题复杂,未知参数多 2.器件分散性 3.寄生电容、引线电感 4.RC标称值与实际误差 掌握“*似”的方法 (不片面强调“精确”) (难) 重视实践环节 归纳12个字: 定性分析—电路作用、波形失真、自激 定量估算—2~3位有效位 实验调整—通过实验调整达到最终指标要求 六、几点忠告(授课要求): 听课;认真作业(不应付,不乱抄),按时作业(跟上进度), 会自改作业;要学要问,下工夫;及时反馈意见。 七、本课程不作要求的内容 八、符号规定

教材及参考文献: 教材:
华成英、童诗白,《模拟电子技术基础》(第4版)高 教出版社,2006,前三版获国家优秀奖。

参考文献:
1.康华光,《电子技术基础(模拟部分)》高教出版社, 国家优秀奖 2.杨栓科,《模拟电子技术基础》高教出版社 3.江晓安,《模拟电子技术》高教出版社,西电出版社 4.雷旭、李静等《模拟电子技术基础学*辅导》本校 讲义,2003

模拟电子技术基础
本课程是入门性质的技术基础课

第一讲 绪论
一、电子技术的发展 二、模拟信号与模拟电路 三、本课程的特点 四、如何学*本课程 五、考查方法

一、电子技术的发展
? ? ? ? 1947年 1958年 1969年 1975年 贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路( IC ) 大规模集成电路 超大规模集成电路

第一片IC只有4个晶体管,而1997年一片IC中有40 亿个晶体管。有科学家预测,集成度还将按10倍/6年的 速度增长,到2015或2020年达到饱和。 学*电子技术课程需时刻关注电子技术的发展!

二、模拟信号与模拟电路
1. 信号:反映消息的物理量 ? 温度、压力、流量,声音等,信号是消息的表 现形式。 ? 信息需要借助于某些物理量(如声、光、电) 的变化来表示和传递。 2. 电信号 ? 电信号--随时间变化的 u 、i 。
? 非电量容易转换成电信号,电信号容易传送和

控制。

二、模拟信号与模拟电路
3. 信号的分类
? 模拟信号
?

在时间和数值上是连续的信号。

? 数字信号

? 在时间和数值上均离散的信号。

大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。

二、模拟信号与模拟电路
4. 模拟电路
? 模拟电路:对模拟量进行处理的电路。 ? ?

最基本的处理是对信号放大。

放大:是功率的放大(输入为小信号,使负载获得 大信号,并保持线性关系——不失真) 。

三、本课程的特点
工程性、实践性 电路需要调试才能达到预期目标,要掌握: ? 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

?

有源元件:能够控制能量的元件。

四、如何学*本课程
1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法
? 基本概念:概念不变,应用灵活。 ? 基本电路:构成的原则不变,具体电路多种多样。
? 基本分析方法:不同类型的电路有不同的性能指标

和描述方法,有不同的分析方法。
2. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 ? 根据需求,最适用的才是最好的。 ? 研究利弊关系,通常“有一利必有一弊”。 3. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用 建立系统的观念、工程的观念

五、考查方法
1. 会看:定性分析 2. 会算:定量计算

? 分析问题的能力

3. 会选:电路形式、器件、参数 解决问题的能力--设计能力
4. 会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA

解决问题的能力--实践能力
综合应用所学知识的能力
清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

第一章 常用半导体器件
1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结

1.1.1、本征半导体 1、什么是半导体?
导体--最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动, 很容易导电,多为低价金属元素,如铁、铝、铜等。 绝缘体--原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,很 难导电。如惰性气体、橡胶等。 半导体--导电性介于导体与绝缘体之间的物质。 最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间, 是四价元素,如硅(Si)、锗(Ge),砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。

现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,他们的最 外层电子(价电子)都是四个。 4 价元素的原子常常用+ 4 电 荷的正离子和周围 4个价电子表示。

+4

(a)硅的原子结构图

(b)简化模型

电子器件所用的半导体具有晶体结构,因此也把半导体 体称为晶体。 稳定的结构

2、什么是本征半导体?
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材料提 +4 +4 +4 价 纯便形成单晶体,原 电 共 子 子之间靠的很*,分 价 +4 +4 +4 键 属于每个原子的价电 子受到相邻原子的影 响,而是价电子为两 +4 +4 +4 个原子共有,成为共 用电子,这样的组合 图 1.1.1 单晶体中的共价键结构 称为共价键结构。

3.本征半导体的导电机理
? 若 T ? ,将有少数价 电子克服共价键的束缚 成为自由电子,在原来 的共价键中留下一个空 位——空穴。
自由电子与空穴成对出现 自由电子与空穴相遇--复合。 +4 T一定→电子空穴对浓度一定; 图 1.1.2 T↑→浓度↑。
+4 +4

T?
+4 空穴 +4 +4 +4 自由电子

+4

+4

本征半导体中的 自由电子和空穴

4.本征半导体中的两种载流子
载流子--运载电荷的粒子。 外加电场→ 自由电子、空穴定向运动→ 电流。

自由电子可以看成带负电的载流子,空穴可看成带 正电的载流子。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度,其导电 性很差。 T↑,载流子浓度↑,导电性↑。 ?当温度 T = 0 K 时,半导体不导电,如同绝缘体。

总结:

1. 半导体中两种载流子

带负电的自由电子 带正电的空穴

2. 本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现, 称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示,显然 ni = pi 。 4. 由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到 *衡,载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升 高,基本按指数规律增加。

1.1.2 杂质半导体
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体

一、 N 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素,如 磷、锑、砷等,即构成 N 型半导体(或称电子型半导

体) 。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。

本征半导体掺入 5 价元素后,原来晶体中的某些 硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价 电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子只受 自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度,即 n >> p 。电 子称为多数载流子(简称多子),空穴称为少数载流子 (简称少子)。由于杂质原子可以提供电子,故称为施 主原子。

思考:N型半导体中的载流子是什么?

+4

+4

+4 自由电子

+4

+4 +5

+4 施主原子

+4

+4

+4

图 1.1.3

N 型半导体的晶体结构

二、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如 硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。
+4 +4 空穴 +4 +4 +3 +4

受主 原子

+4

+4

+4

+4

3 价杂质原子的空 穴吸收电子,称为受主 原子。 空穴浓度多于电子 浓度,即 p >> n。空穴 为多数载流子,电子为 少数载流子。

图 1.1.4

P 型半导体的晶体结构

说明:

本征激发产生

受温度的影响很小

1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体,因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。

(a)N 型半导体

(b) P 型半导体

图 1.1.6

杂质半导体的的简化表示法

1. 在杂质半导体中多子的数量与 a (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b
(a. 掺杂浓度、b.温度)有关。 3. 当温度升高时,少子的数量 c (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。 4. 在外加电压的作用下,P 型半导体中的电流 主要是 b ,N 型半导体中的电流主要是 a 。

(a. 电子电流、b.空穴电流)

三、PN结的形成及其单向导电性
扩散--因浓度差产生的运动。 漂移--在电场作用下产生的运动。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。

扩散运动

扩散→ 复合→内电场, 不利于多子扩散,有利于少子漂移。

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 ? 多子的扩散运动? 由杂质离子形成空间电荷区 ? 空间电荷区形成内电场 ? ? 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态*衡。

PN结的形成
对于P型半导体和N型半导体结合面,离子薄层形成的 空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。 漂移运动

达到动态*衡--形成了PN结。

PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加 正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏。 (1) PN结加正向电压时
?低电阻 ? 大的正向扩散电流

PN结加正向电压: 耗尽层变窄,扩散>>漂移, PN结导通。

PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加 正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏。 (2) PN结加反向电压时
? 高电阻 ? 很小的反向漂移电流

在一定的温度条件下,由本征激

发决定的少子浓度是一定的,故少子
形成的漂移电流是恒定的,基本上与 所加反向电压的大小无关,这个电流 也称为反向饱和电流。

PN结加反向电压: 耗尽层变宽,漂移>扩散, PN结截止。

PN结加正向电压时,呈现低电阻, 具有较大的正向扩散电流; PN结加反向电压时,呈现高电阻, 具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论:PN结具有单

向导电性。

四、PN结的伏安特性
PN结V-I 特性表达式

iD ? IS (eu/UT ?1)
其中

IS ——反向饱和电流 UT ——温度的电压当量
且在常温下(T=300K)

kT UT ? ? 0.026V? 26 mV q

PN结的伏安特性

五、PN结的电容效应
1. 势垒电容 PN结外加电压变化--空间电荷区宽度变化-- 有电荷的积累和释放过程--与电容的充放电相同 --势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和 释放的过程--扩散电容Cd。 结电容:C j ? Cb + Cd 结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定 程度,则失去单向导电性!
清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

小结:
作业:复*本节内容,

预*二极管、三极管结构及工作原理

清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn



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