第一章半导体基础知识-(2)知识课件

第一章半导体基础知识信息工程学院电子技术基础课程组半导体基础知识§1.1电子技术发展简史§1.2电子技术的应用§1.3电子电路及其工作信号计算机技术通信技术广播电视产业汽车全时数字化电力电子技术。。。作业：课后进一步阅读§1.1、§1.2熟悉Multisim10.0仿真环境§1.4半导体基础知识§1.5PN结12/20/20192/12/20251.3电子电路及其工作信号电子系统各种形式的物理量传感器各种伺服机构信号信号信号源电压源：戴维宁(南)等效电路电流源：诺顿等效电路12/20/20192/12/2025电子系统系统：实现某种功能（行使某种职能）的相对独立的事物整体。多个系统能够构成更大、更复杂的系统。电子系统：完成信号的检测、处理变换、传输以及产生对伺服机构的控制信号。分类：数字电子系统、模拟电子系统模拟电路的工作对象：模拟信号，在时间和数值上均连续的信号（电压或电流）。12/20/20192/12/2025信号本质：各种信息的载体；电子系统中专指电信号理想的信号源：电压源或电流源，不受负载变化的影响表达方式和特性：时域表达方式、频域表达方式（频谱图）12/20/20192/12/2025信号的频谱周期信号的傅里叶级数表达式(直流分量、基波分量、高次谐波分量)幅度频谱相位频谱非周期信号的频谱（连续频率函数形式）所有周期信号…；所有非周期信号…Nyquist-shannonsamplingtheorem:…AliasingNyquistcriterion

anti-aliasingfilter

12/20/20192/12/2025放大电路的原理框图实际输入信号决定信号源：电压源、电流源所需输出信号决定放大电路等效为：受控电流源、受控电压源电路中的每一部分对前级而言相当于负载；对后级而言相当于信号源12/20/20192/12/2025放大电路基本知识四种基本类型及模型：

电压放大电路、电流放大电路、互阻放大电路、互导放大电路。放大的本质：对能量的控制和转换；是最基本的模拟信号处理功能，放大电路是构成其它模拟电路的基本组成单元。放大电路的原理框图主要性能指标12/20/20192/12/2025电压放大电路+-·VsIi·Rs••+-RiAVoVi··Ro••+-•Io·+-RL·VoRoRi电压放大电路的基本模型1、输入电阻Ri：2、输出电阻Ro：信号源短路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压vt…；实验的方法获得Ro的值。Vi·3、增益：适用于：……12/20/20192/12/2025电流放大电路·IsIi·Rs••+-RiAisIi··•••Io·+-RL·VoRoRi电流放大电路的基本模型1、输入电阻Ri：2、输出电阻Ro：信号源开路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压vt…Vi·3、增益：••••Ro适用于：……12/20/20192/12/2025互阻放大电路RiAroIi··Ro••+-•Io·+-RL·VoRo互阻放大电路的基本模型1、输入电阻Ri：2、输出电阻Ro：信号源短路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压vt…3、增益：·IsRs••+-RiVi·••Ii·适用于：……12/20/20192/12/2025互导放大电路+-·VsIi·Rs••+-Ri•••Io·+-RL·VoRoRiVi·互导放大电路的基本模型1、输入电阻Ri：2、输出电阻Ro：信号源短路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压vt…3、增益：AgsVi··••Ro适用于：……12/20/20192/12/2025放大电路的主要性能指标衡量品质优劣的标准；决定其使用范围的依据。输入电阻（对前级电路的等效负载）输出电阻（对后级电路的等效信号源内阻）增益（放大倍数，表明放大电路的放大能力）频率响应和带宽以及信号的线性失真非线性失真12/20/20192/12/2025半导体基本知识1一、半导体材料种类元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）本征激发掺杂特性二、半导体的共价键结构四价元素晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4价电子共价键导电性能：介于导体和绝缘体之间共价键束缚电子12/20/20192/12/2025半导体的基本知识2三、本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体本征激发：本征半导体共价键中的束缚电子在外界能量（光、热）的激发下,挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在原来的位置留下空穴.+4+4+4+4+4+4+4+4+4复合：与本征激发相反的现象在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。所以本征半导体中电子空穴对的浓度一定，与材料本身的特性以及环境有关。自由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇，使电子空穴成对消失，该现象称为复合。12/20/20192/12/2025半导体基本知识3+4+4+4+4+4+4+4+4+4载流子：在外加电场作用下自由移动的自由电子和空穴（束缚电子）空穴导电导电机制小结：本征半导体在本征激发的作用下，自由电子、空穴成对出现；其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。12/20/20192/12/2025导电机制+4+4+4+4+4+4+4+4+4E自由电子空穴12/20/20192/12/2025半导体基本知识4四、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。分类－－－－－－－－－－－－++++++++++++N（电子）型半导体P（空穴）型半导体少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关12/20/20192/12/2025多数载流子——空穴P（空穴）型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等。空穴硼原子硅原子受主离子空穴电子空穴对P型半导体－－－－－－－－－－－－少数载流子——自由电子12/20/20192/12/2025N（电子）型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，、锑砷等多余电子磷原子硅原子++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对多数载流子——自由电子少数载流子——空穴12/20/20192/12/2025PN结的形成及特性一、载流子的扩散和漂移三、PN结的单向导电性（外加电场打破动态平衡）四、PN结的伏安特性和电容效应(自学P17~18)二、PN结的形成（动态平衡）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/扩散电流扩散电容势垒电容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12/20/20192/12/2025PN结的形成1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PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层P型半导体N型半导体－－－－－－－++++－+++－+－－+++－+12/20/20192/12/2025少子飘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动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒VO硅0.5V锗0.1V对称结与不对称结；对于不对称结，耗尽区主要伸向轻掺杂区一边PN结的形成212/20/20192/12/2025PN结的单向导电性1(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forwardbiased

12/20/20192/12/2025(2)外加反向电压

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IRPNreversebiased

PN结的单向导电性212/20/20192/12/2025PN结的单向导电性（总结）3无外加电压时，因PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流与自建内电场引起的漂移电流相等，处于动态的电平衡；PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加一定范围内的反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

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