第一讲半导体基本知识

模拟电子技术基础第一讲绪论主讲：柳娟

本课程是入门性质的技术基础课1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；1947年12月23日第一个点接触式NPNGe晶体管

发明者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验；晶体管的发明一、电子技术的发展一、电子技术的发展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二、模拟信号与模拟电路1.电子电路中信号的分类数字量：离散性模拟量：连续性，大多数物理量，如温度、压力、流量、液面……均为模拟量。2.模拟电路模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。放大：能量的控制。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。有源元件：能够控制能量的元件。三、“模拟电子技术基础”课程的特点

工程性实际工程需要证明其可行性。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在一定误差范围的。定量分析为“估算”。近似分析要合理。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的诊断与排除方法EDA软件的应用方法四、如何学习这门课程

掌握基本概念、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。基本电路：构成原则是不变的，具体电路是多种多样的。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。学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，用适用的电路才是最好的电路。研究利弊，通常“有一利必有一弊”。注意电路中常用定理在电子电路中的应用五、课程目的

掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验技能具有能够继续深入学习和接收电子技术新发展的能力，将所学知识用于本专业的能力。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。

会看：读图、定性分析会算：定量计算、CAD考察分析问题的能力

会选：电路形式、器件、参数考察解决问题的能力----设计能力会调：测试方法、仪器选用、EDA考察解决问题的能力----实践能力六、考察方法综合应用所学知识解决问题第一章半导体器件第一章半导体器件§1.1

半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应1.什么是半导体分类材料电导率导体铝、金、钨、铜等105S·cm-1半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟等10-9~10-2S·cm-1绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等10-22~10-14S·cm-1按集成电路制造所应用到的材料分类半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用，掺入杂质可改变电导率/热敏效应/光电效应硅、砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体材料一、本征半导体2.半导体的导电特性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时,导电能力明显变化(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强

(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。3.

本征半导体

完全纯净的、晶格完整的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价键结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。价电子价电子

价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后,即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子(带负电),同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。空穴本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中的载流子数目极少,其导电性能很差;(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。本证半导体中自由电子和空穴总是成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中的载流子便维持一定的数目。

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。P+二、杂质半导体1.N型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或

P型半导体。掺入三价元素

在P型半导体中空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。二、杂质半导体2.P型半导体183.杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。193.杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）baOpenforQuestion食物不咀嚼不好消化，知识不讨论不易吸收三、PN结及其单向导电性1.

PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体空间电荷区也称PN结。

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。2.PN结的单向导电性（1）

PN结加正向电压(正向偏置)P接正、N接负

内电场被削弱，多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。PN结变窄外电场IF内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–U2.PN结加反向电压(反向偏置)外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–UPN结变宽2.PN结加反向电压(反向偏置)外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少,形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增大。

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–U26四、PN结的电容效应势垒电容CB：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。扩散电容CD：为了形成正向电流（扩散