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第四版 第1讲 绪论、半导体基础知识

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概述: 概述:
一、课程的性质和任务
性质: 专业基础课(考研课) 性质: 专业基础课(考研课) 任务: 、掌握器件的基本工作原理、 任务:1、掌握器件的基本工作原理、外特性及参数

2、掌握常用电路的工作原理、分析方法及指标计算 、掌握常用电路的工作原理、分析方法及指标计算 3、熟悉常用电子仪器的原理、使用及电路的测试方法 、熟悉常用电子仪器的原理、 二、模拟电路和数字电路
模拟电路:处理模拟信号的电路。 模拟电路:处理模拟信号的电路。 数字电路: 处理数字信号的电路。 数字电路: 处理数字信号的电路。

三、模拟电子技术课程的特点
1、工程性:*似计算。 工程性:*似计算。 2、实践性:电路测试、故障判断和排除、仿真。 实践性:电路测试、故障判断和排除、仿真。

注意的问题: 四、注意的问题: 1、器件非线性 2、交直流共存 3、等效电路中含受控源 4、分析方法:*似估算法 分析方法: 图解法 等效电路法 5、概念多、电路多、分析方法多、及时 概念多、电路多、分析方法多、 总结。 总结。

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

参考文献: 参考文献:
1.康华光,《电子技术基础(模拟部分)》高教出版社, 1.康华光, 电子技术基础(模拟部分) 高教出版社, 康华光 国家优秀奖 2.江晓安 江晓安, 模拟电子技术》高教出版社, 2.江晓安,《模拟电子技术》高教出版社,西电出版社

六、几点要求: 几点要求:
1. 规范化的工程师基本训练(文字标识、符号、电路图、实验) 规范化的工程师基本训练 文字标识、符号、电路图、实验) 的工程师基本训练( 2. 不缺课,认真听讲,会做笔记; 不缺课,认真听讲,会做笔记; 3. 认真作业 不应付 不乱抄 按时作业 跟上进度 会自改作业; 认真作业(不应付 不乱抄),按时作业 跟上进度),会自改作业 不应付,不乱抄 按时作业(跟上进度 会自改作业; 解题要求(1)抄题、抄图(描图) 解题要求( )抄题、抄图(描图) (2)各电压、电流要标明位置、方向 )各电压、电流要标明位置、 代入数值——结果 (3)公式 )公式——代入数值 代入数值 结果 4. 多学多问,下工夫;及时反馈意见。 下工夫; 下工夫 及时反馈意见。

1.1 半导体基础知识 内容: 内容: 1、本征半导体 2、杂质半导体 3、PN结的形成及其单向导电性 4、PN结的电容效应

一、本征半导体
什么是半导体?什么是本征半导体? 1、什么是半导体?什么是本征半导体?
半导体--导电性介于导体与绝缘体之间的物质。 半导体--导电性介于导体与绝缘体之间的物质。 --导电性介于导体与绝缘体之间的物质 导体--最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动, 导体--最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动, --最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动 多为低价金属元素,如铁、铝、铜等。 多为低价金属元素,如铁、 铜等。 绝缘体--原子的最外层电子受原子核的束缚力很强, 绝缘体--原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,很 --原子的最外层电子受原子核的束缚力很强 难导电。如惰性气体、橡胶等。 难导电。如惰性气体、橡胶等。 半导体--最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝 半导体--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)。 缘体之间。是四价元素,如硅(Si)、锗(Ge)。 本征半导体--纯净的晶体结构的半导体。 本征半导体--纯净的晶体结构的半导体。 半导体--纯净的晶体结构的半导体 无杂质 稳定的结构

2、本征半导体的结构
共价键

热、能量→价电子挣脱 能量 价电子挣脱 共价键束缚→自由电子 共价键束缚 自由电子 共价键中的空位→空穴 共价键中的空位 空穴 自由电子与空穴成对出现 自由电子与空穴相遇--复合。 自由电子与空穴相遇--复合。 --复合 T一定→电子空穴对浓度一定;T↑→浓度↑。 一定→电子空穴对浓度一定; 浓度一定 浓度↑

本征半导体中的两种载流子 3、本征半导体中的两种载流子 载流子--运载电荷的粒子。 载流子--运载电荷的粒子。 --运载电荷的粒子 自由电子、空穴都是载流子。 自由电子、空穴都是载流子。 载流子 外加电场→ 自由电子、 外加电场→ 自由电子、空 穴产生定向运动→ 电流。 穴产生定向运动→ 电流。

载流子

4、导电特点 T=0K( )--绝缘 绝缘。 ⑴、T=0K(-273oC)--绝缘。 T=300K( )--导电 导电, ⑵、 T=300K(27oC)--导电,但导电 性很差 ⑶、T↑,载流子浓度↑,导电性↑ 载流子浓度↑ 导电性↑

ni=pi↓

二、杂质半导体 1. N型半导体 N型半导体 多数载流子 多子: 多子:电子
+5

少子:空穴 少子: 导电特点: ﹥﹥p 导电特点:nN﹥﹥pN N型半导体主要靠电子导电 型半导体主要靠电子导电 电子 磷 (P )

2.

P型半导体 P型半导体 多数载流子 多子: 多子:空穴 少子: 少子:电子 导电特点: ﹤﹤p 导电特点:nP﹤﹤pP P型半导体主要靠空穴导电. 型半导体主要靠空穴导电. 空穴导电

+3

硼 (B )

例:
1.

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

主要是

a


(a. 电子电流、b.空穴电流) 电子电流、b.空穴电流 空穴电流)

三、PN结的形成及其单向导电性
PN结的形成 1、PN结的形成 扩散--载流子因浓度差产生的定向运动。 --载流子因浓度差产生的定向运动 扩散--载流子因浓度差产生的定向运动。 漂移--载流子在电场作用下产生的定向运动。 --载流子在电场作用下产生的定向运动 漂移--载流子在电场作用下产生的定向运动。
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

漂移运动

E内 ⑴多子扩散 多子扩散→复合→内电场E 阻止多子扩散。 多子扩散→复合→内电场E内→阻止多子扩散。 ⑵少子漂移 E内→有利于少子漂移。 有利于少子漂移。 ⑶动态*衡 扩散=漂移﹣﹣动态*衡。PN结宽度一定,且无电流。 扩散=漂移﹣﹣动态*衡。PN结宽度一定,且无电流。 ﹣﹣动态*衡 结宽度一定

PN结的单向导电性 2、PN结的单向导电性

PN结加正向电压: PN结加正向电压: 结加正向电压 耗尽层变窄,扩散>>漂移, >>漂移 耗尽层变窄,扩散>>漂移, PN结导通 结导通。 PN结导通。

PN结加反向电压: PN结加反向电压: 结加反向电压 耗尽层变宽,漂移>扩散, 耗尽层变宽,漂移>扩散, PN结截止 结截止。 PN结截止。

PN结的电容效应 四、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 PN结外加电压变化--空间电荷区宽度变化--有电 结外加电压变化--空间电荷区宽度变化-- 荷的积累和释放过程--与电容的充放电相同-- --与电容的充放电相同--势垒电 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, 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--扩散电容C --扩散电容 释放的过程--扩散电容Cd。 结电容: 结电容: Cj = Cb+Cd 结电容不是常量! PN结外加电压频率高到一 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! 定程度,则失去单向导电性!
清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

作业:复*本节内容, 作业:复*本节内容, 预*二极管、 预*二极管、三极管结构及工作原理

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