半导体基础知识 (4)课件

模拟电子技术基础

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1.1什么是电子技术1.2本课程的性质、任务和重点内容1.3本课程的特点和学习方法1.4半导体基础知识1半导体基础知识1.5PN结电子技术就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。1．电子器件电子器件的发展历程1.1什么是电子技术d.电子受外加电场和磁场的作用，在真空中运动就形成了电子管中的电流。电子管的结构和工作原理a.有密封的管壳，内部抽到高真空。b.在热阴极电子管中，有一个阴极。c.阴极可由灯丝加热，使温度升高，发射出电子。电子管的主要特点a.体积大、重量重、耗电大、寿命短。b.目前在一些大功率发射装置中使用。(2)离子管a.与电子管类似,也抽成高真空。b.管子中的电流，除了电子外，也有正离子。1905年爱因斯坦阐述相对论——E＝mc21906年亚历山德森研制成高频交流发电机德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制成第一只三极管1912年阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管1917年坎贝尔研制成滤波器1922年弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机1934年劳伦斯研制成回旋加速器1940年帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机1947年肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础主要大事记a.体积小、重量轻。e.加电压不能太高。晶体管的主要特点b.寿命长、功耗低。c.受温度变化的影响较大。d.过载能力较差。1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管1948年贝尔实验室的香农发表信息论的论文英国采用EDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机1949年诺伊曼提出自动传输机的概念1950年麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器1952年美国爆炸第一颗氢弹1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年苏联发射第一颗人造地球卫星1958年美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路主要大事记2．电子电路电子器件与电阻器、电感器、电容器、变压器、开关等元件适当地连接起来所组成的电路。电子电路的主要特点控制方便、工作灵敏、响应速度快等。分立电路——由各种单个的电子器件和元件构成的电路(3)体积大，功耗大，可靠性低。分立电路的主要特点(1)把许多元件和器件焊接在印制电路板上。(2)焊点多，容易造成虚焊。集成电路（IC—integratedcircuit）——把许多晶体管与电阻等元件制作在同一块硅晶片上的电路(1)体积小，重量轻。

集成电路的主要特点(2)功耗小。(3)可靠性高。(4)寿命长。世界上第一块集成电路在1959年美国的德州仪器公司和西屋电气公司诞生，电路上仅集成了4只晶体管。集成电路发展的历程(1)小规模集成电路(2)中规模集成电路(3)大规模集成电路(4)超大规模集成电路（5）特大规模集成电路集成电路分类

集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。可编程逻辑器件（PLD）微控制芯片（MCU）数字信号处理器（DSP）大规模存储芯片（RAM/ROM）3．电子技术应用有线载波通信、激光通信、光纤维通信等。特点：快速、灵敏、精确等。(1)通信系统无线电通信(包括广播、电报、电视等)、(2)自动控制在自动化技术中，电子控制是后起之秀。

(3)测量方面的应用电测量的主要特点a.准确度和灵敏度高，测量范围广。b.可以智能化。c.可以进行远距离测量。a.电量测量b.非电量电测量现代微型计算机的主要特点a.采用了大规模和超大规模集成电路b.功耗低c.体积小d.重量轻e.运算速度快f.功能强大(5)电子技术对汽车电子化的发展1960年——1974年，汽车发动机开始采用半导体式点火装置代替机械式触发点火。1974年——1990年，汽车发动机开始大量使用集成电路和16位微处理器。1990年以后汽车电子向智能化和网络化发展。例如电子燃油喷射系统、防抱死制动系统、安全气囊系统等。

对前面课程的要求1信号的表达方式2电阻的串并联，电压分压，电流分流3戴维南定理及诺顿定理及其相互转换4电路中的电位5受控电源6交直流计算问题7KVLKCL是指电子电路的基本分析方法。是指基本的电子器件和电子电路的性能以及其主要应用。是指电子测试技术、电子电路的分析计算能力和识图能力。基本技能基本知识基本理论(1)电子器件，包括集成电路。不深入讨论器件内部微观的物理过程及生产工艺本课程的基本内容学习的重点a.掌握电子器件的外部特性b.掌握电子器件在电路中的基本应用注意的事项2．课程内容的重点(2)电路学习的重点(a)最基本的电路结构(b)电路的工作原理(c)电路的分析方法(d)电路的组合规律(e)典型应用电路(5)电路的分类按照处理信号的不同模拟电路数字电路两类电路的主要区别a.电路中信号模拟电路数字电路信号波形是连续变化的信号波形是跃变的

b.电路中电子器件的工作状态模拟电路数字电路电子器件工作在放大状态电子器件工作在开关状态1.3本课程的特点和学习方法

1.本课程的主要特点d.电路种类多。a.内容比较庞杂。b.技术术语多。c.基本概念多。e.课程的难点都集中在前几章，初学者都会有“入门难”的感觉。(1)注重物理概念(2)采用工程观点2.本课程的学习方法实际工程问题的特点a.电子器件的特性具有分散性b.元器件的实际参数值与标称值有一定的偏差d.难以进行精确计算c.实际参数值受环境温度等因素的影响而偏离设计值实际工程问题的算法——估算法a.忽略一些次要的因素。b.采用简化的工程模型。工程问题合理估算的依据估算结果所产生的误差应不超过10%c.有些实际问题的简化处理往往是经验，或者由实验证明而得出的结论。工程估算的目的a.不是为了获得精确的结果。b.而是为了获得清晰的、定性的概念和结论。c.利用获得概念和结论，进一步指导电路和系统的设计和实验。1.4半导体基础知识

自然界中，很容易导电的物质成为导体，金属一般都是导体有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮，陶瓷，塑料和石英，另外有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体。导电能力(电阻率)导体半导体绝缘体

(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用热敏性可制成热敏元件。(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。热敏性光敏性掺杂性主要特性热敏电阻光电二极管和光电三极管及光敏电阻二极管、三极管、场效应管半导体特性

+4价电子硅和锗的原子结构及简化模型+4典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。1.4.1本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。把硅和锗材料制成单晶体时，相邻两个原子的一对最外层电子成为共有电子，它们一方面围绕自身的原子核运动，另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上，即价电子不仅受到自身原子核的作用，同时还受到相邻原子核的吸引。于是，相邻的原子共有一对价电子，组成共价键结构。

本征半导体的共价键结构1.本征半导体的晶体结构1.本征半导体的晶体结构在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。2.本征半导体的两种载流子

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。空穴

可见本征激发同时产生电子空穴对。

外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对自由电子带负电荷逆电场运动电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－载流子空穴带正电荷顺电场运动空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化->导电性变化；光照变化->导电性变化。导电机制

由此可见：半导体中存在两种载流子，带负电的自由电子和带正电的空穴。空穴和自由电子是成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。本征半导体的导电性能很差，而且和环境温度密切相关。本征半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可以用来制作热敏元件和光敏元件，又是造成半导体器件温度性能差的原因。第二讲1.4.2杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素。用掺杂的方法来增加载流子的浓度。(1)N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对c.电子是多数载流子，简称多子;空穴是少数载流子，简称少子。e.因电子带负电，称这种半导体为N(negative)型或

电子型半导体。f.因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b.N型半导体中产生了大量的(自由）电子和正离子。小结d.np×nn=K(T)a.N型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素形成的。

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对(2)

P型半导体c.空穴是多数载流子,电子是少数载流子。e.因空穴带正电，称这种半导体为P(positive)型或空穴型半导体。f.因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a.P型半导体是在本征半导体中掺入少量的三价杂质元素形成的。b.

P型半导体产生大量的空穴和负离子。小结d.np×nn=K(T)杂质半导体中多数载流子浓度主要取决于掺入的杂质浓度，即每掺入一个杂质原子就可以增加一个多数载流子。由于少数载流子是半导体材料本征激发产生的，因而其浓度主要取决于温度。当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转为P型；杂质半导体的转型当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转为N型。1.4.3载流子的漂移运动和扩散运动外加电场作用下载流子的定向（顺/逆电场方向）移动——漂移运动/漂移电流载流子基于浓度差异和随机热运动速度的移动——扩散/扩散电流内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。P、N结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层1.5PN结1.5.1PN结的形成

少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V当扩散与漂移作用平衡时a.流过PN结的净电流为零b.PN结的厚度一定（约几个微米）c.接触电位一定（约零点几伏）内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层1.5.2PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

PN结的电压与电流关系IS——PN结反向饱和电流UT——热电压式中UT=KT/qq——电子电量T——绝对温度在室温（T=300K)时，UT=26mv

。K——玻耳兹曼常数其中1.5.3PN结的击穿和电容效应

当的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿（大电流）——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿—可逆a.齐纳击穿

产生击穿的机理半导体的掺杂浓度高击穿电压低于4V击穿电压具有负的温度系数空间电荷层中有较强的电场电场将PN结中的价电子从共价键中激发出来击穿的机理条件击穿的特点半导体的掺杂浓度低击穿电压高于6V击穿电压具有正的温度系数空间电荷区中就有较强的电场电场使PN结中的少子“碰撞电离”共价键中的价电子击穿的机理条件击穿的的特点b.雪崩击穿3.

PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容Cb

，二是扩散电容Cd。(1)势垒电容Cb

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加反向电压（漂移）使PN结上压降发生变化时，耗尽层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电（变容二极管）。PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子（非平衡少子），与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，到远离交界面处，形成一定的浓度梯度分布曲线。电压增大，正向（扩散）电流增大。(2)扩散电容Cd扩散电容示意图扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。本章小结1.本征半导体及其特点

纯净的半导体称为本征半导体。在热“激发”条件下，本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复合”时，也成对消失；电子和空穴都是载流子；温度越高，“电子—空穴”对越多；在室温下，“电子—空穴”对少，故电阻率大。（1）N型半导体：在本征硅或锗中掺入适量五价元素形成N型半导体，N型半导体中电子为多子，空穴为少子；电子的数目（掺杂+热激发）=空穴的数目（热激发）+正粒子数；半导体对外仍呈电中性。

（2）P型半导体：在本征硅或锗中掺入适量三价元素，形成P型半导体，其空穴为多子，电子为少子；空穴的数目（掺杂+热激发）=电子的数目（热激发）+负粒子数；对外呈电中性。在本征半导体中，掺入适量杂质元素，就可以形成大量的