第一讲_半导体.ppt

1、模拟电子技术基础多媒体教学，讲师：徐建霞电子邮件Tel息工程学院，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，1.5 PN结，电子技术是学习电子器件、电子电路及其应用。电子器件，电子器件的发展历史，1.1什么是电子技术，第一代电子器件，电子管，离子管，(1)电子管，d。电子受到外部电场和磁场的影响，它们在真空中移动，在电子管中形成电流。电子管的结构和工作原理。内部有一个高真空的密封管壳。在热阴极管中，有一个阴极。阴极可以被灯丝加热以提高温度并发射电子。电子管的主要特点是：体积大、重量重、功耗大、使用寿命

2、短。它目前被用于一些大功率发射设备。(2)离子管：与电子管相似，它也被抽入高真空。管中的电流除了电子外，还有正离子。爱因斯坦在1905年阐述了相对论emc2，亚历山大森在1906年开发了高频交流发电机，德福特给弗莱明二极管增加了栅极，并制造了第一个三极管。阿诺德和朗缪尔于1912年开发了高真空管，坎贝尔于1917年开发了滤波器，弗里斯于1922年开发了第一台超外差收音机，劳伦斯于1934年开发了回旋加速器，帕昆森和洛夫尔于1947年开发了电子模拟计算机，肖利、巴丁和布拉顿发明了晶体管。香农奠定了信息论的基础，主要大事记，第二代电子器件晶体管，晶体管是由半导体材料制成的，也称为半导体器件或固态器

3、件。体积小，重量轻。即所施加的电压不能太高。晶体管的主要特点是寿命长，功耗低。它受温度变化的影响很大。过载能力差。1947年，贝尔实验室的贝赛格丁、布莱顿和肖克利开发了第一个点接触晶体管。1948年，贝尔实验室的香农发表了一篇关于信息论的论文。这是最早的存储程序数字计算机。1949年，纽曼提出了自动变速器的概念。1950年，麻省理工学院的福勒斯特开发了一种磁芯存储器。1952年，美国爆炸了第一颗氢弹。1954年，贝尔实验室开发了太阳能电池和单晶硅。1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星。1958年，德克萨斯仪器公司和飞兆半导体公司宣布开发第一个集成电路、主要纪念品、2个电子电路、由与电阻器、

4、电感器、电容器、变压器、开关等适当连接的电子器件组成的电路。电子电路的主要特点，如易于控制、操作灵敏、响应速度快。(3)电子电路必须用非线性电路分析法进行分析。电子电路与普通电路的主要区别如下：(1)电子电路包含电子器件；(2)电子设备的特性通常是非线性的；分立电路、集成电路和分立电路由各种单个电子器件和元件组成；(3)体积大、功耗高、可靠性低。(1)在印刷电路板上焊接许多元件和器件。(2)焊点多，容易导致虚焊。集成电路在同一硅片上制造许多晶体管和电阻的电路。(1)它体积小，重量轻。集成电路的主要特点，(2)低功耗。(3)高可靠性。(4)寿命长。1959年，世界上第一个集成电路诞生于得克萨斯仪

5、器公司和西屋电气公司。电路上只集成了四个晶体管。(1)小规模集成电路，(2)中等规模集成电路，(3)大规模集成电路，(4)超大规模集成电路，(5)超大规模集成电路。1985年，1兆位超大规模集成电路集成了200万个元件，而器件条带宽度仅为1微米。1992年，16兆位芯片的集成度达到3200万个元件，条带宽度减小到0.5微米，而64兆位芯片的条带宽度仅为0.3微米。集成电路的集成度、集成电路的分类以及集成电路的制造技术都在日新月异地发展，其中最具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、微控制芯片、数字信号处理器、大规模存储芯片、3项电子技术应用、电缆载

6、波通信、激光通信、光纤通信等。特点：快速、灵敏、准确。(1)通信系统、无线电通信(包括无线电、电报、电视等)，(2)自动控制。在自动化技术中，电子控制是一颗冉冉升起的新星。(3)在测量中的应用，电气测量的主要特点，a .精度和灵敏度高，测量范围宽。b .可能很聪明。可以进行远距离测量。a .电量测量，b .非电量测量，(4)电子技术向计算机的发展，20世纪40年代第一台数字电子计算机的一些参数，b .功率130千瓦，a .使用18000个电子管，c .质量30 t，d .占用约150 m2，e .运行速度约5000次/台。1 .采用大规模和超大规模集成电路，2 .低功耗，3 .体积小，4 .重

7、量轻，5 .运行速度快，6 .功能强大，5 .汽车电子化电子技术的发展。从1960年到1974年，汽车发动机开始使用半导体点火装置代替机械触发点火。在1974年和1990年，集成电路和16位微处理器被广泛用于汽车发动机。1990年后，汽车电子朝着智能化和网络化方向发展。如电子燃油喷射系统、防抱死制动系统、安全气囊系统等。以前课程的要求，1信号的表达，2电阻的串联和并联，分压，分流，3达文南定理和诺顿定理及其相互转换，4电路中的电位，5受控电源，6交流/DC计算问题，7 KVL KCL，1.2本课程的性质、任务和主要内容，1本课程的性质和任务，是一门介绍电子技术的技术基础课程。任务：使学生掌握电

8、子技术的基本理论、基本知识和基本技能。体系结构是指电子电路的基本分析方法。指基本电子器件和电子电路的性能及其主要应用。是指电子测试技术、电子电路分析计算能力和读图能力。基本技能，基本知识，基本理论，(1)电子设备，包括集成电路。没有深入讨论器件内部的微观物理过程和生产技术，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，注意事项，2个课程内容的重点，(2)电路，学习的重点，(1)最基本的电路结构，(2)电路的工作原理，以及(3)电路的分析。分立电路仍然是电子电路的核心电路。(4)分立电路与集成电路的关系；分立电路逐渐被集成电路取代。分立电路是集

9、成电路中的基本单元电路。分离是基础，整合是重点，分离是综合服务。(5)电路的分类，两类电路的主要区别，a .电路中的信号、模拟电路和数字电路不断变化，信号波形跳跃，b .电路中电子器件的工作状态，模拟电路、数字电路、放大状态下的电子器件和开关状态下的电子器件，1.3本课程的特点和学习方法，1 .这门课的主要内容相当复杂。有许多技术术语。有许多基本概念。这门课的难点集中在前面几章，初学者会觉得很难上手。(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，(1)电子器件的特性比较分散，(2)元器件的实际参数值与标称值有一定程度的偏差，(3)难以准确计算，(4)由于环

10、境温度等因素的影响，实际参数值偏离设计值，以及实际工程问题的算法估计方法，(5)采用简化的工程模型。合理估算工程问题的依据，且估算结果引起的误差不应超过10%。一些实际问题的简化处理通常是经验，或通过实验证明得到的结论。工程估算的目的不是为了获得准确的结果。但是为了获得清晰和定性的概念和结论。用获得的概念和结论进一步指导电路和系统的设计和实验。1.4半导体基础知识在自然界中，易导电的物质成为导体，而金属通常是导体。有些物质几乎不导电，被称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、塑料和应时。此外，导体和绝缘体之间有一类具有导电特性的物质，称为半导体。电导率(电阻率)，导体，半导体绝缘体，(1)灵敏度：导体的电导

11、率对温度敏感，受温度影响很大。当环境温度上升时，它的电导率增加，这就是所谓的热敏性。热敏元件可以通过使用热敏性来制造。(2)光敏性：导体的导电性随光照而变化。当光照增加时，电导率增加，这被称为光敏性。光敏元件可以通过使用光敏性来制造。(3)掺杂：导体更独特的导电性是它的导电性受杂质影响很大，这就是所谓的掺杂。典型的半导体是硅、锗和砷化镓GaAs。热敏性和光敏性掺杂、主要特性、热敏电阻、光电二极管和光电晶体管、光电二极管、晶体管、场效应管、半导体特性、价电子、硅和锗的原子结构和简化模型，典型的半导体是硅硅和锗锗，它们都是四价元素。硅原子、锗原子以及硅和锗的最外层轨道上的四个电子称为价电子。1.4

12、.1本征半导体，本征半导体的纯化学成分的半导体晶体。用于制造半导体器件的半导体材料的纯度应该达到99.9999999%，这通常被称为“九个9”。当硅和锗被制成一个单晶时，两个相邻原子的一对最外层电子变成共同的电子，一方面围绕它们自己的原子核运动，另一方面出现在相邻原子的轨道上，也就是说，价电子不仅受它们自己的原子核影响，而且被它们相邻的原子核吸引。因此，相邻的原子共享一个价电子并形成共价键结构。1.本征半导体的晶体结构。本征半导体的晶体结构。在绝对温度T=0K时，所有价电子以共价键紧密结合，不会变成自由电子，因此本征半导体的导电性非常弱，接近绝缘体。本征半导体中有两种载流子，这种现象称为本征激

13、发，也称为热激发。当温度升高或受到光照射时，束缚电子的能量增加，一些电子可以脱离原子核的束缚，参与传导，成为自由电子。当自由电子产生时，其原始共价键中有一个空位，称为空穴。可以看出，本征激发同时产生电子-空穴对。施加的能量越高(温度越高)，产生的电子-空穴对越多。这与内在激励相反。在一定温度下，内在激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子-空穴对的浓度是恒定的。在室温300K时，电子-空穴对，带负电荷的自由电子逆着电场移动电子流，带正电荷的空穴沿电场移动空穴流。本征半导体的导电性取决于施加的能量：温度变化-秒本征半导体材料特性对温度的这种敏感性可用于制造热敏元件和光敏元件，并且这也是半导体器件温

14、度性能差的原因。第二讲，1.4.2杂质半导体，一些微量杂质元素掺杂在本征半导体中。掺杂被用来增加载流子的浓度。(1)氮型半导体，通过在本征半导体中掺杂磷和砷等五价杂质元素而被称为氮型半导体。氮型半导体，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，施主离子，自由电子，电子空穴对，碳。电子是多数载流子，简称为多重态；空穴是少数载流子，简称少数载流子。这种半导体被称为氮(负)型或电子型半导体，因为电子带负电荷。电子是由于掺杂的杂质而产生的，这些杂质也被称为施主杂质。在硼氮型半导体中产生大量(自由)电子和正离子。简而言之，氮型半导体是通过在本征半导体中掺杂少量五价杂质元素而形成的。硼

15、和镓等三价杂质元素被掺杂到本征半导体中。空穴，硼原子，硅原子，多数载流子空穴，少数载流子自由电子，受体离子，空穴，电子空穴对，(2)磷型半导体，碳。空穴是多数载流子，电子是少数载流子。这种半导体被称为磷(正)型或空穴型半导体，因为空穴带正电荷。因为掺杂的杂质接受电子，所以它们被称为受体杂质。p型半导体是通过在本征半导体中掺杂少量三价杂质元素而形成的。p型半导体会产生大量的空穴和负离子。综上所述，杂质半导体中的多数载流子浓度主要取决于杂质浓度，也就是说，每掺杂一个杂质原子就能增加一个多数载流子。因为少数载流子是由半导体材料的本征激发产生的，所以它们的浓度主要取决于温度。当三价元素的密度大于五价元

16、素的密度时，氮型可以转变为磷型。杂质半导体转变，当掺杂的五价元素的密度大于三价元素的密度时，磷型可以转变为氮型。1.4.3载流子漂移和扩散、外加电场作用下的载流子取向(正向/反向电场方向)、基于浓度差和随机热运动速度的载流子运动扩散/扩散电流、内部电场、多载流子扩散和空间电荷区由于多载流子浓度差而形成，防止多载流子扩散和促进少数载流子漂移。p，n组合，空间电荷区，多重扩散电流，少数载流子漂移电流，耗尽层，1.5 PN结，1.5.1 PN结形成，动态平衡：扩散电流漂移电流，总电流0，当扩散和漂移平衡时，a .流经PN结的净电流为零，b .pn结的厚度是确定的(大约几微米)。外部电场削弱内部电场，耗尽层变窄，扩散运动漂移，多子扩散形成正向电流if。(2)反向电压电源的正极连接到N区，负极连接到P区，外部电场的方向与内部电场的方向相同。外部电场增强了内