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文档简介
半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:,当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体,它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图1.1.1本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度T=0K时,半导体不导电,如同绝缘体。,图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,若T,将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子,在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力,但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,(动画1-1),(动画1-2),四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征激发,复合,动态平衡,1.半导体中两种载流子,2.本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,称为电子-空穴对。,3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi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不断的复合。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。,5.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。,小结,1.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,N型半导体,P型半导体,一、N型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素,如磷、锑、砷等,即构成N型半导体(或称电子型半导体)。,常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入5价元素后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子,其中4个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度,即np。电子称为多数载流子(简称多子),空穴称为少数载流子(简称少子)。,5价杂质原子称为施主原子。,二、P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素,如硼、镓、铟等,即构成P型半导体。,空穴浓度多于电子浓度,即pn。空穴为多数载流子,电子为少数载流子。,3价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图1.1.4P型半导体,说明:,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决定少数载流子的浓度。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,4.杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。,(a)N型半导体,(b)P型半导体,图杂质半导体的的简化表示法,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体,另一侧掺杂成为N型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,称为PN结。,图PN结的形成,一、PN结的形成,1.1.3PN结,PN结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,PN结,耗尽层。,(动画1-3),3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差Uho电位壁垒;内电场;内电场阻止多子的扩散阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5.扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小;随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;当扩散电流与漂移电流相等时,PN结总的电流等于零,空间电荷区的宽度达到稳定。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,二、PN结的单向导电性,1.PN结外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置,简称正偏。,图1.1.6,在PN结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻R。,2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时,外电场与内电场的方向一致,增强了内电场的作用;,外电场使空间电荷区变宽;,不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,电路中产生反向电流I;,由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。,图1.1.7PN结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随着温度升高,IS将急剧增大。,当PN结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流,PN结处于导通状态;当PN结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零,PN结处于截止状态。,(动画1-4),(动画1-5),综上所述:,可见,PN结具有单向导电性。,四、PN结的伏安特性,i=f(u)之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时,PN结中储存的电荷量将随之发生变化,使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1.势垒电容Cb,是由PN结的空间电荷区变化形成的。,(a)PN结加正向电压,(b)PN结加反向电压,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。,由于PN结宽度l随外加电压u而变化,因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)曲线如图示。,2.扩散电容Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下,P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。,x=0处为P与耗尽层的交界处,当电压加大,np(或pn)会升高,如曲线2所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时,扩散运动被削弱,扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时,变化载流子积累电荷量发生变化,相当于电容器充电和放电的过程扩散电容效应。,图1.1.12,综上所述:,PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。,Cb和Cd值都很小,通常为几个皮法几十皮法,有些结面积大的二极管可达几百皮法。,当反向偏置时,势垒电容起主要作用,可以认为CjCb。,一般来说,当二极管正向偏置时,扩散电容起主要作用,即可以认为CjCd;,在信号频率较高时,须考虑结电容的作用。,1.1数字电路的基本概念,数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。,一、模拟信号与数字信号模拟信号时间连续数值也连续的信号。如速度、压力、温度等。数字信号在时间上和数值上均是离散的。如电子表的秒信号,生产线上记录零件个数的记数信号等。,有两种逻辑体制:正逻辑体制规定:高电平为逻辑1,低电平为逻辑0。负逻辑体制规定:低电平为逻辑1,高电平为逻辑0。下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号:,二、正逻辑与负逻辑,数字信号是一种二值信号,用两个电平(高电平和低电平)分别来表示两个逻辑值(逻辑1和逻辑0)。,三、数字信号的主要参数,一个理想的周期性数字信号,可用以下几个参数来描绘:Vm信号幅度。T信号的重复周期。tW脉冲宽度。q占空比。其定义为:,图中所示为三个周期相同(T=20ms),但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。,1.2数制,例1.2.1将二进制数10011.101转换成十进制数。解:将每一位二进制数乘以位权,然后相加,可得(10011.101)B124023022121120121022123(19.625)D,一、几种常用的计数体制1.十进制(Decimal)2.二进制(Binary)3.十六进制(Hexadecimal)与八进制(Octal),二、不同数制之间的相互转换1二进制转换成十进制,例1.2.2将十进制数23转换成二进制数。解:用“除2取余”法转换:,2.十进制转换成二进制,则(23)D=(10111)B,1.3二十进制码(BCD码),BCD码用二进制代码来表示十进制的09十个数。,要用二进制代码来表示十进制的09十个数,至少要用4位二进制数。4位二进制数有16种组合,可从这16种组合中选择10种组合分别来表示十进制的09十个数。选哪10种组合,有多种方案,这就形成了不同的BCD码。,1.4数字电路中的二极管与三极管,(1)加正向电压VF时,二极管导通,管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。,一、二极管的开关特性,1二极管的静态特性,可见,二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时,二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。,(2)加反向电压VR时,二极管截止,反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。,2二极管开关的动态特性,给二极管电路加入一个方波信号,电流的波形怎样呢?,ts为存储时间,tt称为渡越时间。trets十tt称为反向恢复时间,反向恢复时间:trets十tt,产生反向恢复过程的原因:反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。,同理,二极管从截止转为正向导通也需要时间,这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多,一般可以忽略不计。,二、三极管的开关特性,1三极管的三种工作状态,(1)截止状态:当VI小于三极管发射结死区电压时,IBICBO0,ICICEO0,VCEVCC,三极管工作在截止区,对应图中的A点。三极管工作在截止状态的条件为:发射结反偏或小于死区电压,三种工作状态比较,发射结电压死区电压,发射结正偏集电结反偏,发射结正偏集电结正偏,很大相当开关断开,可变,很小相当开关闭合,2三极管的动态特性,(1)延迟时间td从vi正跳变的瞬间开始,到iC上升到0.1ICS所需的时间(2)上升时间triC从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。(3)存储时间ts从vi下跳变的瞬间开始,到iC下降到0.9ICS所需的时间。(4)下降时间tfC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。,开通时间ton=td+tr关断时间toff=ts+tf,一、基本逻辑运算,设:开关闭合=“1”开关不闭合=“0”灯亮,L=1灯不亮,L=0,1.5基本逻辑运算,与逻辑只有当决定一件事情的条件全部具备之后,这件事情才会发生。,1与运算,与逻辑表达式:,2或运算,或逻辑表达式:LA+B,或逻辑当决定一件事情的几个条件中,只要有一个或一个以上条件具备,这件事情就发生。,3非运算,非逻辑表达式:,非逻辑某事情发生与否,仅取决于一个条件,而且是对该条件的否定。即条件具备时事情不发生;条件不具备时事情才发生。,二、其他常用逻辑运算,2或非由或运算和非运算组合而成。,1与非由与运算和非运算组合而成。,3异或,异或是一种二变量逻辑运算,当两个变量取值相同时,逻辑函数值为0;当两个变量取值不同时,逻辑函数值为1。,异或的逻辑表达式为:,1.6逻辑函数及其表示方法,解:第一步:设置自变量和因变量。第二步:状态赋值。对于自变量A、B、C设:同意为逻辑“1”,不同意为逻辑“0”。对于因变量L设:事情通过为逻辑“1”,没通过为逻辑“0”。,一、逻辑函数的建立,例1.6.1三个人表决一件事情,结果按“少数服从多数”的原则决定,试建立该逻辑函数。,第三步:根据题义及上述规定列出函数的真值表。,一般地说,若输入逻辑变量A、B、C的取值确定以后,输出逻辑变量L的值也唯一地确定了,就称L是A、B、C的逻辑函数,写作:L=f(A,B,C),逻辑函数与普通代数中的函数相比较,有两个突出的特点:(1)逻辑变量和逻辑函数只能取两个值0和1。(2)函数和变量之间的关系是由“与”、“或”、“非”三种基本运算决定
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