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童诗白模电第一讲_绪论与半导体基础知识

发布时间:

绪 论
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电子技术的发展简史

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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

一、电子技术的发展简史
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。

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

电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展 上。从电子管→半导体管→集成电路

1904年 电子管问世

1947年 晶体管诞生

1958年集成电 路研制成功

电子管、晶体管、集成电路比较

半导体元器件的发展
?

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 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年一片集成电路 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*电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展!

半导体元器件的发展

分立元件电路:
特点:成本、体积、重量和功耗大,可靠性差

集成电路:
特点:成本、体积、重量和功耗小,可靠性高

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 ?模拟信号: 连续性 u ?数字信号: 离散性 u

t
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

0 1 00 1 1 0 1

t

时间离散:数值的变化总是发 生在离散的瞬间。 数值离散: 只有0和1两种值。

例如:开关通断、电压高低、 电流有无。
数字电路-处理数字信号

数字化时代: ?音乐:CD、MP3

?电影:MPEG、RM、DVD
?数字电视

?数字照相机
?数字摄影机 ?手机

数字化时代: ?音乐:CD、MP3

?电影:MPEG、RM、DVD
?数字电视

?数字照相机
?数字摄影机 ?手机

2、数字时代模拟也精彩,模拟有其不 可取代性

即使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。
“中间是数字,两头是模拟,模数不分家”

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。

2、数字时代模拟也精彩,模拟有其不可取代性 21世纪信息化时代的今天,人们进入“数字时代”。*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。 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” 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、课程的考查方式--“怎么考”
? 学完本课程要达成什么目标?
1、会看:读图、定性分析 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:*时(30%)+期考(70%)

四、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, 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, 3、华成英.模拟电子技术基础(第四版). 高等教育出版社, 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, 5、陈大钦等.模拟电子技术基础学*与解题指南. 武汉:华中科技大学出版社,

?纪律声明: 1、点名六次,>=2次不到者取消考试资格;

2、作业7次, >=3次缺交者取消考试资格;
3、补交作业最迟不超过两周。

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 结 特 电 构 性 路 模 型 应 用 电 路

稳压管 工 应 作 用 特 点

双极型三极管 结 工 特 构 作 性 原 曲 理 线 电 路 模 型

单极型三极管 结 工 特 构 作 性 原 曲 理 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
主要内容:
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 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? 2、影响半导体温度稳定性的主要因素是什么? 3、半导体中的载流子有哪些运动形式? 本征半导体、本征激发; N型半导体、P型半导体; 相关概念: 多子、少子; 扩散电流、漂移电流

一、半导体材料

1、什么叫半导体——导电性介于导体和绝缘体之间的物质。
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。 常用的半导体材料为硅、锗。

二、 本征半导体 ——纯净的晶体结构的半导体。
制造半导体器件的半导体材料纯度要 1、本征半导体的共价键结构 达到99.9999999%,常称为“九个9”。

价电子
+4

+14

Si

+32

Ge

惯性核

简化的原子结构模型
?4 ?4 ?4

半导体的原子间以共价键结合, 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。

?4

?4

?4

?4

?4

?4

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): ?价电子获得足够能量 ?自由电子 T?(或光照) 成对出现 ?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。
空穴

?4

?4

?4

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*衡,电 子和空穴的浓度相等。 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。

?4

?4

?4

自由 电子
?4 ?4 ?4

(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: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*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:
空穴

?4

?4

?4

?4

?4

?4

?4

?4

?4

①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。 ②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。 自由 ③本征半导体的导电性能与温度密 电子 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) 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 自由电子 ?多数载流子 杂质原子 ?提供多余电子 挣脱束缚 (多子) (施主杂质) (浓度大) 本征激发 ?自由电子 ?少数载流子 (少子) ?空 穴(浓度低) 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。 问题:空穴比未加杂质时多 了?还是少了?为什么?

结论: +55 + (1)N型半导体中多子是电子,主要由掺杂产生,多子浓度*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。

2、P型半导体(空穴型Positive) 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。

?多子 杂质原子?产生空穴(浓度大)
(受主杂质) (接受电子)

?少子 本征激发 ?自由电子(浓度低) ?空 穴 结论:

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。

(1)P型半导体中多子是空穴, 主要由掺杂产生,多子浓度*似 等于杂质浓度。
+35 +

(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。

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*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 ?载流子的漂移运动

电场作用

电子沿电场的反方向运动 空穴沿电场方向运动

漂移电流

在外电场作用下,自由电子和空穴对电流的贡献是叠加的。 2、扩散运动和扩散电流 扩散运动:物质因浓度差而产生的运动。 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。

X

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。

§1-2 PN结原理
主要内容:
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的电容效应 相关概念: 空间电荷区、 势垒、正偏、反偏

反向饱和电流、势垒电容、扩散电容

一、PN结的形成 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 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*载流子浓度下降,形成了一个带电的空间电荷区。 P

?? ? ?? ?

N

P

?? ? ?? ?
空间电荷区

N

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: 由N区指向P区

P

内建电场

促使少子的漂移运动 阻止多子的扩散运动(阻挡层)

?? ? ?? ?
E

N

3、扩散运动和漂移运动达到动态*衡,形成稳定的PN结 多子扩散 ? 空间电荷区宽度? ? E? ? 促进少子漂移 阻止多子扩散

结果:在无外电场和其他激发作用下,参与扩散运动的多子数 目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态*衡。 PN结中总电流为0。 空间电荷区宽度稳定,形成PN结。

动画演示

P

4、PN结的接触电位差(内建电位差)
空间电荷区内的P区带负电荷,N区 带正电荷,两者之间形成电位差, 电 称为接触电位差 ( U? ) 。 位

?? ? ?? ?
E

N

U?

U 常温下 硅: ? ? 0.6 ~ 0.8V U (T=300K) 锗: ? ? 0.2 ~ 0.3V

电子 势能

? qU?

电子带负电,所以P区的电子势能高于N区的电子势能,电子 要从N区到达P区需要越过一个能量高坡,称之为势垒。所以 空间电荷区也称为势垒区。

PN结=空间电荷区=耗尽层=阻挡层=势垒区

二、 PN结的单向导电性 1、什么叫偏置 ——在半导体器件上所加的直流电压或电流。
PN结正向偏置:P区接高电位;N区接低电位 PN结反向偏置:N区接高电位;P区接低电位

正偏

反偏

2、正向偏置的PN结
正向 ?外电场削 ?势垒 ?阻挡层 偏置 弱内电场 降低 变窄 ?形成较大扩散电流ID。 扩散电流的全过程: 电子由电源负极 ?N区 ?PN结 ?P区 ?与P区空穴复合 P 区空穴由电源正极提供? 正偏电压? ?PN结内的电场 ? ?ID ? 正偏时,PN结导通,产生随正 向电压增大而增大的正向电流。 E ID 扩散电流↑ 漂移电流↓

3、反向偏置的PN结
反向 ?外电场与内电 ?势垒 ?阻挡层 ?扩散减弱 偏置 场方向一致 提高 变宽 ?漂移占优势 IR 漂移电流IR很小, 当忽略IR不计时,可认为PN结是截止的。 温度一定时,若外加反向电压超过 某个值后, IR不再随电压的增大而增 大,达到饱和,称为反向饱和电流,用 IS表示。 IS随温度的升高而急剧增大。 反偏时,PN结截止,具有很小的反向漂移电流。

E

4、结论:
① PN结正偏时,呈现低阻,具有较大的正向扩散电流。 ② PN结反偏时,呈现高阻,具有很小的反向漂移电流。 ③ PN结具有单向导电性。 动画演示

三、 PN结的电容效应 1、势垒电容CT

在一定条件下,PN结具有电容效应,根据 产生原因不同分为势垒电容和扩散电容。

当PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生 变化,有电荷的积累和释放过程,与电容的充放电 过程相同,其等效电容称为势垒电容。

定义:CT ?

dQ ?Q ? dUD ?U D

-?Q

+?Q

一般:CT=几个PF,较小。 1 CT ? S ; CT ? ? (结厚度) (结面积) CT
UD+?UD 注意: 势垒电容不是常量,反偏 势垒电容示意图 电压越大,势垒电容越小。

uD

2、扩散电容CD
当PN结外加正向电压变化时,在扩散行程中非*衡载流子 的浓度及浓度梯度均有变化。当正偏电压增大时,浓度和浓 度梯度都增大,从外部看正向电流增大,反之,正偏电压减 小时,正向电流减小。非*衡载流子所带电量的数量变化相 当于电容的充放电,将之称为扩散电容。 一般:CD=几十PF~0.01?F。 注意:扩散电容不是常量,而是 与正向电流成正比。
非*衡 少子

?UD

反偏时: I D ? ? I S ? 0 ? C D ? 0
?扩散电容一般在正偏条件下起作用。 ?Q n ?QP

扩散电容示意图

3、PN结的结电容CJ CJ = CT+ CD
正偏时:CJ ? CD 反偏时:CJ ? CT

CD 4、PN结的等效模型 P R N

CT
(1)低频时电容相当于开路,PN结具有单向导电性。
(2)当外加电压的频率高到一定程度时,电容上的容抗 较小PN结失去单向导电性。

因此一般的半导体器件都有最高工作频率的限制。

1、什么是PN结,它是怎样形成的? 2、PN结的基本特性是什么? 3、PN结的结电容由哪些部分构成?
4、为什么半导体器件有最高工作频率的限制?

掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响,一 些典型的数据如下:
1

T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: ni = pi =1.4×1010/cm3

2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:

nn=5×1016/cm3
以上浓度基本上相差106/cm3 。



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