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第1讲 绪论、半导体基础

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模拟电子技术基础
主讲:吴朝晖, 主讲:吴朝晖,华南理工大学电子与信息学院 phzhwu@scut.edu.cn

第一讲内容: 第一讲内容: 第一部分 绪论 第二部分 半导体基础

第一部分 绪论
一、电子技术的发展 二、模拟信号与模拟电路 三、“模拟电子技术基础”课程的特 点、如何学*这门课程 四 五、课程的目的 六、考查方法

一、电子技术的发展
很大程度上反映在元器件的发展上 : ? ? ? ? 1947年 年 1958年 年 1969年 年 1975年 年 贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 大规模集成电路 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 第一片集成电路只有 个晶体管, 年一片集成 个晶体管 电路中有40亿个晶体管。有科学家预测, 电路中有 亿个晶体管。有科学家预测,集成度还将按 亿个晶体管 10倍/6年的速度增长,到2015或2020年达到饱和。 倍 年的速度增长 年的速度增长, 年达到饱和。 或 年达到饱和 学*电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展! 学*电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展!

二、模拟信号与模拟电路
信号: 1. 信号:是反映消息的物理量 如温度、压力、流量,自然界的声音信号等等, 如温度、压力、流量,自然界的声音信号等等, 因而信号是消息的表现形式。 因而信号是消息的表现形式。 信息需要借助于某些物理量(如声、 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。 的变化来表示和传递。 2. 电信号 由于非电的物理量很容易转换成电信号, 由于非电的物理量很容易转换成电信号,而且 电信号又容易传送和控制, 电信号又容易传送和控制,因此电信号成为应用 最为广泛的信号。 最为广泛的信号。 电信号是指随时间而变化的电压u或电流 或电流i 电信号是指随时间而变化的电压 或电流 ,记 作u=f(t) 或i=f(t) 。

二、模拟信号与模拟电路
3. 电子电路中信号的分类
模拟信号 对应任意时间值t 均有确定的函数值u或 ,并且u 对应任意时间值 均有确定的函数值 或i,并且 的幅值是连续取值的, 或 i 的幅值是连续取值的,即在时间和数值上均具 有连续性。 有连续性。

数字信号 在时间和数值上均具有离散性, 或 在时间和数值上均具有离散性,u或 i 的变化在 时间上不连续,总是发生在离散的瞬间; 时间上不连续,总是发生在离散的瞬间;且它们的 数值是一个最小量值的整数倍,当其值小于最小量 数值是一个最小量值的整数倍, 值时信号将毫无意义。 值时信号将毫无意义。 大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。 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。 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的放大。 最基本的处理是对信号的放大。 放大:输入为小信号, 放大: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。 得大信号,并保持线性关系。 有源元件:能够控制能量的元件。 有源元件:能够控制能量的元件。

二、模拟信号与模拟电路
5. “模拟电子技术基础” 课程的内容 模拟电子技术基础” 模拟电子技术基础
半导体器件。 半导体器件。 处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能: 处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能:各 种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、 种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、 电源电路等等。 电源电路等等。 模拟电路的分析方法。 模拟电路的分析方法。 不同的电子电路在电子系统中的作用。 不同的电子电路在电子系统中的作用。

三、“模拟电子技术基础”课程的特点 模拟电子技术基础”
1、工程性 、
实际工程需要证明其可行性。 实际工程需要证明其可行性。 强调定性分析。 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 在一定的误差范围的。 在一定的误差范围的。 电子电路的定量分析称为“估算” 电子电路的定量分析称为“估算”。 *似分析要“合理”。 *似分析要“合理” 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 电子电路归根结底是电路。 电子电路归根结底是电路。 估算不同的参数需采用不同的模型, 估算不同的参数需采用不同的模型,可用电路的 基本理论分析电子电路。 基本理论分析电子电路。

三、“模拟电子技术基础”课程的特点 模拟电子技术基础”
2. 实践性 实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试 才能达到预期的目标,因而要掌握以下方法: 才能达到预期的目标,因而要掌握以下方法: 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 软件的应用方法

四、如何学*这门课程
1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 掌握基本概念、 基本概念 基本概念:概念是不变的,应用是灵活的, 基本概念:概念是不变的,应用是灵活的, “万 变不离其宗” 变不离其宗”。 基本电路:构成的原则是不变的, 基本电路:构成的原则是不变的,具体电路是多种 多样的。 多样的。 基本分析方法: 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,因而有不同的分析方法。 和描述方法,因而有不同的分析方法。 2. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 学会辩证、 根据需求,最适用的电路才是最好的电路。 根据需求,最适用的电路才是最好的电路。 要研究利弊关系,通常“有一利必有一弊” 要研究利弊关系,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

五、课程的目的
本课程通过对常用电子元器件、 本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的 分析和设计的学*, 分析和设计的学*,使学生获得模拟电子技术方面的基 础知识、基础理论和基本技能, 础知识、基础理论和基本技能,为深入学*电子技术及 其在专业中的应用打下基础。 其在专业中的应用打下基础。 1. 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验 掌握基本概念、基本电路、 技能。 技能。 2. 具有能够继续深入学*和接受电子技术新发展的能力, 具有能够继续深入学*和接受电子技术新发展的能力, 以及将所学知识用于本专业的能力。 以及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、 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。 创新意识。

六、考查方法
1. 会看:定性分析 会看: 2. 会算:定量计算 会算:

} 考查分析问题的能力

3. 会选:电路形式、器件、参数 会选:电路形式、器件、 考查解决问题的能力-- --设计能力 考查解决问题的能力--设计能力 4. 会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA 会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、 考查解决问题的能力-- --实践能力 考查解决问题的能力--实践能力
综合应用所学知识的能力

第二部分 半导体基础知识 (1.1)

第二部分 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应

一、本征半导体
1、什么是半导体?什么是本征半导体? 、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称为半导体。 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体-- --铁 铜等金属元素等低价元素, 导体--铁、铝、铜等金属元素等低价元素,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。 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, --惰性气体 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, 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 )、锗 ),均为四价元素 半导体--硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原 )、 ),均为四价元素, 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。 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。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构

1、本征半导体的结构 、
共价键 由于热运动,具有足够能量 由于热运动, 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置, 留有一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高, 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高, 热运动加剧,挣脱共价键的电子增多, 热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对 的浓度加大。 的浓度加大。

2、本征半导体中的两种载流子 、
运载电荷的粒子称为载流子。 运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时, 外加电场时,带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电, 子和带正电的空穴均参与导电, 且运动方向相反。 且运动方向相反。由于载流子数 目很少,故导电性很差。 目很少,故导电性很差。 温度升高,热运动加剧, 温度升高,热运动加剧,载流 子浓度增大,导电性增强。 子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电 时不导电。 热力学温度 时不导电。 载流子

本征半导体导电性很差,如何提高导电性? 本征半导体导电性很差,如何提高导电性?

二、杂质半导体
1. N型半导体 型半导体
多数载流子 空穴比未加杂质时的数目 多了?少了?为什么? 多了?少了?为什么? 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多, 流子导电。掺入杂质越多, 多子浓度越高,导电性越强, 多子浓度越高,导电性越强, 实现导电性可控。 实现导电性可控。 磷(P) )

+5

2. P型半导体 型半导体

多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电, 型半导体主要靠空穴导电, 型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多,空穴浓度越高, 掺入杂质越多,空穴浓度越高, 导电性越强, 导电性越强,

+3

在杂质半导体中,温度变化时, 在杂质半导体中,温度变化时, 载流子的数目变化吗? 载流子的数目变化吗?少子与多 子变化的数目相同吗? 子变化的数目相同吗?少子与多 子浓度的变化相同吗? 子浓度的变化相同吗?

硼(B) )

三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 液体、固体均有之。 体、液体、固体均有之。
P区空穴 区空穴 浓度远高 于N区。 区 N区自由电 区自由电 子浓度远高 于P区。 区

扩散运动 扩散运动使靠*接触面P区的空穴浓度降低、 扩散运动使靠*接触面 区的空穴浓度降低、靠*接触面 区的空穴浓度降低 N区的自由电子浓度降低,产生内电场,不利于扩散运动的继 区的自由电子浓度降低, 区的自由电子浓度降低 产生内电场, 续进行。 续进行。

PN结的形成
由于扩散运动使P区与 区的交界面缺少多数载流子 由于扩散运动使 区与N区的交界面缺少多数载流子,形成 区与 区的交界面缺少多数载流子, 内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向 区向P 内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从 区向 自由电子从P区向 区运动。 区向N 区、自由电子从 区向 区运动。 漂移运动 因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。 的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同, 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同, 达到动态*衡,就形成了PN结 达到动态*衡,就形成了 结。

PN结的单向导电性

PN结加正向电压导通: 结加正向电压导通: 结加正向电压导通 耗尽层变窄, 耗尽层变窄,扩散运动加 由于外电源的作用, 剧,由于外电源的作用,形 成扩散电流,PN结处于导通 成扩散电流,PN结处于导通 状态。 状态。

PN结加反向电压截止: 结加反向电压截止: 结加反向电压截止 耗尽层变宽,阻止扩散运动, 耗尽层变宽,阻止扩散运动, 有利于漂移运动, 有利于漂移运动,形成漂移电 流。由于电流很小,故可*似 由于电流很小, 认为其截止。 认为其截止。

四、PN结的电容效应
1. 势垒电容 PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生 结外加电压变化时, 结外加电压变化时 变化,有电荷的积累和释放的过程, 变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放 电相同,其等效电容称为势垒电容C 电相同,其等效电容称为势垒电容 b。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载 结外加的正向电压变化时, 流子的浓度及其梯度均有变化, 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,其等效电容称为扩散电容C 释放的过程,其等效电容称为扩散电容 d。 结电容: 结电容: C j = Cb + Cd 结电容不是常量! 结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定 结外加电压频率高到一定 程度,则失去单向导电性! 程度,则失去单向导电性!

第一讲结束! 下一讲将讲述: 二极管和晶体管



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