模电第一讲绪论与半导体基础知识详解演示文稿

1、模电第一讲绪论与半导体基础知识详解演示文稿第一页，共三十一页。（优选）模电第一讲绪论与半导体基础知识第二页，共三十一页。 电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较第三页，共三十一页。半导体元器件的发展1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管1958年 集成电路1969年 大规模集成电路1975年 超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。学习电

2、子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！第四页，共三十一页。分立元件电路:集成电路:特点：成本、体积、重量和功耗大，可靠性差特点：成本、体积、重量和功耗小，可靠性高半导体元器件的发展第五页，共三十一页。二、模拟与数字的关系“为什么要学”1、电子电路中信号的分类数字信号：离散性时间离散：数值离散:数值的变化总是发生在离散的瞬间。只有0和1两种值。数字电路处理数字信号模拟信号：tu连续性时间、数值都连续：任何瞬间、任何值都是有意义的。实际中大多数物理量为连续的模拟信号。模拟电路处理模拟信号tu10001101例如：开关通断、电压高低、电流有无。第六页，共三十一页。数字化时代：音乐：CD、MP3电

3、影：MPEG、RM、DVD数字电视数字照相机数字摄影机手机第七页，共三十一页。数字化时代：音乐：CD、MP3电影：MPEG、RM、DVD数字电视数字照相机数字摄影机手机第八页，共三十一页。2、数字时代模拟也精彩，模拟有其不可取代性电子电路的发展，经历了从模拟到数字的进步，但不等于数字可以取代模拟。即使数字系统的性能再优异，如果没有模拟组件的搭配，就无法充分发挥数字系统的性能优势，甚至也不能构成完整的数字产品。“中间是数字，两头是模拟，模数不分家”第九页，共三十一页。2、数字时代模拟也精彩，模拟有其不可取代性但是，即便数字系统的性能再优异，如果没有模拟组件的搭配，就无法充分发挥数字系统的性能优势

4、，甚至也不能构成完整的数字产品。在数字系统中，模拟电路一直忠实地执行着将现实世界中的声、光、电、力等模拟信号转换为数字世界可以处理的“0”和“1”等数字信号，并在经过一定的信号处理流程后，又将这些数字信号转换为能够被现实世界中的用户接受和理解的模拟信号。“中间是数字，两头是模拟，模数不分家” 21世纪信息化时代的今天，人们进入“数字时代”。近年来，一件件具有开创性甚或是颠覆性的数字消费产品不断冲击着业界的神经和消费者的眼球。于是有人产生了“模拟技术迟早会被数字技术取代”的错误认知。电子电路的发展，经历了从模拟到数字的进步，但不等于数字可以取代模拟。第十页，共三十一页。三、课程的考查方式“怎么考

5、”1、会看：读图、定性分析 学完本课程要达成什么目标？2、会算：读图、定量估算分析问题的能力3、会选：电路形式、器件、参数4、会调：仪器使用、测试方法、 故障诊断、EDA解决问题的能力综合应用所学知识的能力考试方式：期末闭卷考试成绩构成：平时（30）期考（70）第十一页，共三十一页。四、参考书目与课程资源1、康华光电子技术基础模拟部分（第四版） 高等教育出版社，2、杨素行模拟电子技术基础简明教程（第三版） 高等教育出版社，3、华成英模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社，4、华成英. 帮你学模拟电子技术基础-释疑.解题.考试 . 高等教育出版社，5、陈大钦等模拟电子技术基础学习与解题指南

6、武汉：华中科技大学出版社，第十二页，共三十一页。纪律声明：1、点名六次，=2次不到者取消考试资格；2、作业7次， =3次缺交者取消考试资格；3、补交作业最迟不超过两周。第十三页，共三十一页。第一章 半导体基本器件及其应用学时数：12内容框架：半导体的导电性能PN结的形成及基本特性二极管稳压管双极型三极管单极型三极管结构特性电路模型应用电路工作特点应用结构工作原理特性曲线电路模型结构工作原理特性曲线电路模型重点和难点：1、二极管的特性及应用电路2、BJT的工作原理、特性和小信号模型3、FET的工作原理、特性和小信号模型第十四页，共三十一页。1-1 半导体基础知识 问题： 1、半导体材料中存在哪几

7、种载流子？ 它们的浓度决定于哪些因素？ 3、半导体中的载流子有哪些运动形式？ 相关概念： 本征半导体、本征激发；N型半导体、P型半导体；多子、少子；扩散电流、漂移电流 半导体材料 本征半导体 杂质半导体 半导体中载流子的运动 主要内容： 2、影响半导体温度稳定性的主要因素是什么？第十五页，共三十一页。1、什么叫半导体导电性介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料为硅、锗。一、半导体材料导体：一般为低价元素，其最外层电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在外电场作用下定向移动形成电流。如铁、铜、铝等金属元素。绝缘体：一般为高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），其最外层电子原子核的束

8、缚力很强，很难成为自由电子，导电性极差。半导体：常用的半导体为四价元素（如硅、锗），它们的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间，因而其到点性能也介于这两者之间。2、半导体的独特性质（1）掺杂性：掺入微量的杂质可使其电阻率大大降低。（2）热敏性：一些半导体的电阻率随温度的上升而明显下降。（3）光敏性：一些半导体的电阻率随光照的增强而明显下降。第十六页，共三十一页。二、 本征半导体纯净的晶体结构的半导体。1、本征半导体的共价键结构+4惯性核价电子+14Si+32Ge简化的原子结构模型半导体的原子间以共价键结合，制造半导体器件的半导体材料纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。

9、 即相邻两个原子的最外层电子形成共用电子对（即共价键），构成一种非常稳固的结构。第十七页，共三十一页。2、本征激发（1）T=0K(273C），且无外界其他能量激发时，价电子不能挣脱共价键的束缚，晶体中没有自由电子，半导体不能导电。（2）本征激发（热激发）：自由电子价电子获得足够能量T（或光照）空 穴自由电子在无序的运动过程中有可能与空穴相遇而复合。在一定的温度下，自由电子和空穴对的产生和复合达到动态平衡，电子和空穴的浓度相等。自由电子空穴成对出现温度升高，电子的热运动加剧，挣脱共价键的价电子增多，自由电子和空穴的浓度升高。第十八页，共三十一页。（3）本征半导体中的两种载流子载流子运载电荷的粒子

10、。自由电子空穴自由电子：在外电场的作用下产生定向移动，运动方向与电 场方向相反，是一种带负电荷的载流子。空穴：在外电场的作用下，空穴附近的价电子会依次递补空穴，相当于空穴在晶体中移动，由于空穴的运动方向与电子的运动方向相反，所以空穴是一种带正电荷的载流子。结论：常温下本征半导体存在两种载流子， 自由电子和空穴，两者浓度相等。在外电场作用下，自由电子和空穴 的运动方向相反，外部电流是两种 运动的叠加。本征半导体的导电性能与温度密 切相关，在一般的温度下条件， 导电性极差。动画演示第十九页，共三十一页。三、 杂质半导体在本征半导体中人为掺入特定杂质而形成1、N型半导体（电子型Negative）杂质

11、原子提供多余电子(施主杂质)自由电子(浓度大)用扩散工艺将本征半导体中的某些硅原子用5价元素(P)代替。 室温 挣脱束缚多数载流子自由电子空 穴(浓度低）本征激发少数载流子(多子)(少子)N型半导体中电子浓度大，主要靠电子导电，称为电子型半导体。55问题：空穴比未加杂质时多了？还是少了？为什么？结论：（1）N型半导体中多子是电子，主要由掺杂产生，多子浓度近似 等于杂质浓度。（2）N型半导体中少子是空穴，由本征激发产生，少子浓度受 温度影响很大。第二十页，共三十一页。53用扩散工艺将本征半导体中的某些硅原子用3价元素(B)代替。2、P型半导体（空穴型Positive）杂质原子产生空穴(浓度大）(

12、受主杂质)多子自由电子(浓度低）空 穴本征激发少子 P型半导体中多子是空穴，主要靠空穴导电，称为空穴型半导体。结论：（1）P型半导体中多子是空穴，主要由掺杂产生，多子浓度近似等于杂质浓度。（2）P型半导体中少子是电子，由本征激发产生，少子浓度受温度影响很大。(接受电子)第二十一页，共三十一页。3、杂质半导体的特点（1）杂质半导体主要靠多数载流子导电。（2）多子的浓度近似等于掺杂的浓度，掺入的杂质越多， 多子浓度越高，导电性越强，实现导电性能可控。（3）少子由本征激发产生，浓度很小，但是受温度影 响很大，是影响半导体温度稳定性的主要因素。思考题：（1）在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化

13、吗？（2）多子和少子变化的数目相等吗？（3）多子和少子变化的浓度相等吗？第二十二页，共三十一页。四、 载流子在半导体中的运动1、漂移运动和漂移电流EV 在外电场作用下，自由电子和空穴对电流的贡献是叠加的。电场作用电子沿电场的反方向运动空穴沿电场方向运动载流子的漂移运动漂移电流2、扩散运动和扩散电流X光照载流子浓度差扩散运动扩散电流扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓度差引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度低的区域进行。结论：半导体中的载流子存在两种运动形式，一是电位差即 电场 产生的漂移运动，二是浓度差产生的扩散运动。扩散运动：物质因浓度差而产生的运动。第二十三页，

14、共三十一页。1-2 PN结原理 相关概念： 空间电荷区、 势垒、 正偏、反偏 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的电容效应 主要内容： 势垒电容、扩散电容反向饱和电流、第二十四页，共三十一页。 在一块半导体基片上，通过扩散工艺，将半导体的一侧掺成P型半导体，另一侧掺成N型半导体，在两者的交界面处将会形成一个“PN结”，PN结是半导体器件的基本结构单元。PN 一、PN结的形成P区空穴浓度远远高于N区N区电子浓度远远高于P区第二十五页，共三十一页。PN1、多子的扩散运动PN 在N型和P型半导体的界面两侧，电子和空穴的浓度相差悬殊，导致载流子的扩散运动。N区中的电子 向P区扩散 在N区留下正离

15、子P区中的空穴 向N区扩散 在P区留下负离子伴随着扩散和复合运动的进行，在P、N型半导体的界面附近载流子浓度下降，形成了一个带电的空间电荷区。空间电荷区 空间电荷区中缺少能够自由移动的载流子，所以也称为耗尽层。第二十六页，共三十一页。2、内建电场与少子的漂移运动内建电场：E由N区指向P区内建电场促使少子的漂移运动多子扩散 空间电荷区宽度 E 促进少子漂移阻止多子的扩散运动（阻挡层）3、扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成稳定的PN结在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡。结果：PN结中总电流为0。空间电荷区宽度稳定，形成PN结。PN动画演

16、示阻止多子扩散第二十七页，共三十一页。4、PN结的接触电位差（内建电位差）电位电子势能空间电荷区内的P区带负电荷，N区带正电荷，两者之间形成电位差，称为接触电位差 （ U ） 。常温下（T=300K）硅：锗：电子带负电，所以P区的电子势能高于N区的电子势能，电子要从N区到达P区需要越过一个能量高坡，称之为势垒。所以空间电荷区也称为势垒区。PN结空间电荷区耗尽层阻挡层势垒区EPN第二十八页，共三十一页。二、 PN结的单向导电性1、什么叫偏置PN结正向偏置：P区接高电位；N区接低电位PN结反向偏置：N区接高电位；P区接低电位正偏反偏在半导体器件上所加的直流电压或电流。第二十九页，共三十一页。2、正向偏置的PN结正向偏置外电场削 弱内电场势垒 降低阻挡层变窄漂移电流扩散电流扩散电流的全过程：电子由电源负极N区PN结P区与P区空穴复合E正偏电压PN结内的电场 ID P 区空穴由电源正极提供正偏时，PN结导通，产生随正向电压增大而增大的正向电流。形成较大扩散电流ID。ID第三十