第一讲绪论半导体基础知识

1、10 绪论绪论一、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”课程的特点四、如何学习这门课程五、课程的目的六、考查方法2一、电子技术的发展一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上很大程度上反映在元器件的发展上 :1947年年 贝尔实验室制成第一只晶体管贝尔实验室制成第一只晶体管1958年年 集成电路集成电路1969年年 大规模集成电路大规模集成电路1975年年 超大规模集成电路超大规模集成电路 第一片集成电路只有第一片集成电路只有4个晶体管，而个晶体管，而1997年一片集成年一片集成电路中有电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按亿个晶体管。有科学家预测，集

2、成度还将按10倍倍/6年的速度增长，到年的速度增长，到2015或或2020年达到饱和。年达到饱和。学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！3二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路1. 1. 信号：是反映消息的物理量信号：是反映消息的物理量 信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）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。 电信号是指随时间而变化的电压电信号是指随时间而变化的电压u或电流或电流i ，记，记作作u=f(t) 或或i=f(t) 。 如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，如温度、压力

3、、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。2. 2. 电信号电信号 由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且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，因此电信号成为应用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。4二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路3. 电子电路中信号的分类电子电路中信号的分类 模拟信号模拟信号 对应任意时间值对应任意时间值t 均有确定的函数值均有确定的函数值u或或i，并且，并且u或或 i 的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具有连续性

4、。有连续性。数字信号数字信号 在时间和数值上均具有离散性，在时间和数值上均具有离散性，u或或 i 的变化在的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的时间上不连续，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，当其值小于最小量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。 54. 模拟电路模拟电路 模拟电路：模拟电路：对模拟量进行处理的电路。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，有源元件控制

5、电源使负载获放大：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二、模拟信号与模拟电路6二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路5. “模拟电子技术基础模拟电子技术基础” 课程的内容课程的内容 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：各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

6、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。7三、三、“模拟电子技术基础模拟电子技术基础”课程的特点课程的特点 1、工程性工程性 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电子电路的定量分析称为“估算估算”。 近似分析要近似分析要“合理合理”。 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

7、采用不同的模型，可用电路的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。8三、三、“模拟电子技术基础模拟电子技术基础”课程的特点课程的特点2. 实践性实践性 实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试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常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法电子电路的测试方法 故障的判断与排除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9四、如何学习这门课程四、如何学习这门课程1. 掌握掌握基本概念、基本电路和基本分析方法

8、基本概念、基本电路和基本分析方法 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， “万万变不离其宗变不离其宗”。 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种基本电路：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：不同类型的电路有不同的性能指标基本分析方法：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、全面地分析电子电路中的问题 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，通常要研究利弊关系，

9、通常“有一利必有一弊有一利必有一弊”。3. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用注意电路中常用定理在电子电路中的应用10五、课程的目的五、课程的目的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、基本分析方法和基本实验技能。技能。2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，具有能够继续深入学习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。 本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的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习，使学生获得模拟电子技术方面的基分析和设计的学习，使学生获得模拟电

10、子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及础知识、基础理论和基本技能，为深入学习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。 建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。创新意识。11六、考查方法六、考查方法1. 会看：定性分析会看：定性分析2. 会算：定量计算会算：定量计算考查分析问题的能力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、参数4. 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA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

11、力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综合应用所学知识的能力12七、考核方法七、考核方法 作业作业10%10%，点名，点名5%5%，课堂参与表现，课堂参与表现5%5%，主要章节，主要章节小小 测验测验10%10%，期末考试，期末考试70% 70% 。答疑：工程北答疑：工程北508， 每周周一上午第二大节每周周一上午第二大节作业：每周三上课前交到学委处，请学委尽量按作业：每周三上课前交到学委处，请学委尽量按学号排序。学号排序。 13第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 晶体

12、三极管晶体三极管 1.4 场效应管场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件集成电路中的元件14本章重点和考点：本章重点和考点：1. 二极管的单向导电性、稳压管的原理。二极管的单向导电性、稳压管的原理。2. 三极管的电流放大原理，如何判断三极管三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型的管型 、管脚和管材。、管脚和管材。3. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。场效应管的分类、工作原理和特性曲线。 15一、一、本征半导体本征半导体 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。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导

13、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。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？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、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，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、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。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），

14、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。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。1、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，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。共价键共价键 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

15、子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，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。载流子载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，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。由于载流子数且运动方向相反。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，载流温度升高，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。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。2、本征半导体中的两种载流子、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。191. 半导体中两种载流

16、子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，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。不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓

17、度与温度密切相关，它随着温度的升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。高，基本按指数规律增加。小结：小结：二、杂质半导体二、杂质半导体 1. N型半导体型半导体5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载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。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目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？2. P型半导体型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入

18、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， 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？少子与多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？三、三、PN结的形成及其单向导电性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。气物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触

19、面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面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，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。续进行。PN结的形成结的形成 因电场作用所产生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。 在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动和漂移在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流

20、子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 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，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。PN结的单

21、向导电性结的单向导电性25 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，几乎等于零， PN 结处于结处于截止状态截止状态。综上所述：综上所述：可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。26四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性i = f ( (u ) )之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu / V正向特性正向特性死区电压死

22、区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性) 1e (STUuIiIS ：反向饱和电流反向饱和电流UT ：温度的电压当量温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， UT 26 mVPN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为) 1e (SktquIi27五、五、PN结的电容效应结的电容效应当当PN结上的电压发生变化时，结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1. 势垒电容势垒电容Cb是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV28空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随外加随外加电压电压 u 而变化，因此而变化，因此势垒电容势垒电容 Cb不是一个常数不是一