模電第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)詳解演示文稿

1、模電第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)詳解演示文稿第一頁(yè)，共三十一頁(yè)。（優(yōu)選）模電第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第二頁(yè)，共三十一頁(yè)。 電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上反映在元器件的發(fā)展上。從電子管半導(dǎo)體管集成電路1904年電子管問世1947年晶體管誕生1958年集成電路研制成功電子管、晶體管、集成電路比較第三頁(yè)，共三十一頁(yè)。半導(dǎo)體元器件的發(fā)展1947年 貝爾實(shí)驗(yàn)室制成第一只晶體管1958年 集成電路1969年 大規(guī)模集成電路1975年 超大規(guī)模集成電路 第一片集成電路只有4個(gè)晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個(gè)晶體管。有科學(xué)家預(yù)測(cè)，集成度還將按10倍/6年的速度增長(zhǎng)，到2015或2020年達(dá)到飽和。學(xué)習(xí)電

2、子技術(shù)方面的課程需時(shí)刻關(guān)注電子技術(shù)的發(fā)展！第四頁(yè)，共三十一頁(yè)。分立元件電路:集成電路:特點(diǎn)：成本、體積、重量和功耗大，可靠性差特點(diǎn)：成本、體積、重量和功耗小，可靠性高半導(dǎo)體元器件的發(fā)展第五頁(yè)，共三十一頁(yè)。二、模擬與數(shù)字的關(guān)系“為什么要學(xué)”1、電子電路中信號(hào)的分類數(shù)字信號(hào)：離散性時(shí)間離散：數(shù)值離散:數(shù)值的變化總是發(fā)生在離散的瞬間。只有0和1兩種值。數(shù)字電路處理數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：tu連續(xù)性時(shí)間、數(shù)值都連續(xù)：任何瞬間、任何值都是有意義的。實(shí)際中大多數(shù)物理量為連續(xù)的模擬信號(hào)。模擬電路處理模擬信號(hào)tu10001101例如：開關(guān)通斷、電壓高低、電流有無。第六頁(yè)，共三十一頁(yè)。數(shù)字化時(shí)代：音樂：CD、MP3電

3、影：MPEG、RM、DVD數(shù)字電視數(shù)字照相機(jī)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)手機(jī)第七頁(yè)，共三十一頁(yè)。數(shù)字化時(shí)代：音樂：CD、MP3電影：MPEG、RM、DVD數(shù)字電視數(shù)字照相機(jī)數(shù)字?jǐn)z影機(jī)手機(jī)第八頁(yè)，共三十一頁(yè)。2、數(shù)字時(shí)代模擬也精彩，模擬有其不可取代性電子電路的發(fā)展，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的進(jìn)步，但不等于數(shù)字可以取代模擬。即使數(shù)字系統(tǒng)的性能再優(yōu)異，如果沒有模擬組件的搭配，就無法充分發(fā)揮數(shù)字系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)，甚至也不能構(gòu)成完整的數(shù)字產(chǎn)品?！爸虚g是數(shù)字，兩頭是模擬，模數(shù)不分家”第九頁(yè)，共三十一頁(yè)。2、數(shù)字時(shí)代模擬也精彩，模擬有其不可取代性但是，即便數(shù)字系統(tǒng)的性能再優(yōu)異，如果沒有模擬組件的搭配，就無法充分發(fā)揮數(shù)字系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)

4、，甚至也不能構(gòu)成完整的數(shù)字產(chǎn)品。在數(shù)字系統(tǒng)中，模擬電路一直忠實(shí)地執(zhí)行著將現(xiàn)實(shí)世界中的聲、光、電、力等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界可以處理的“0”和“1”等數(shù)字信號(hào)，并在經(jīng)過一定的信號(hào)處理流程后，又將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被現(xiàn)實(shí)世界中的用戶接受和理解的模擬信號(hào)?！爸虚g是數(shù)字，兩頭是模擬，模數(shù)不分家” 21世紀(jì)信息化時(shí)代的今天，人們進(jìn)入“數(shù)字時(shí)代”。近年來，一件件具有開創(chuàng)性甚或是顛覆性的數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品不斷沖擊著業(yè)界的神經(jīng)和消費(fèi)者的眼球。于是有人產(chǎn)生了“模擬技術(shù)遲早會(huì)被數(shù)字技術(shù)取代”的錯(cuò)誤認(rèn)知。電子電路的發(fā)展，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的進(jìn)步，但不等于數(shù)字可以取代模擬。第十頁(yè)，共三十一頁(yè)。三、課程的考查方式“怎么考

5、”1、會(huì)看：讀圖、定性分析 學(xué)完本課程要達(dá)成什么目標(biāo)？2、會(huì)算：讀圖、定量估算分析問題的能力3、會(huì)選：電路形式、器件、參數(shù)4、會(huì)調(diào)：儀器使用、測(cè)試方法、 故障診斷、EDA解決問題的能力綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力考試方式：期末閉卷考試成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)（30）期考（70）第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)。四、參考書目與課程資源1、康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版） 高等教育出版社，2、楊素行模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版） 高等教育出版社，3、華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） 高等教育出版社，4、華成英. 幫你學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-釋疑.解題.考試 . 高等教育出版社，5、陳大欽等模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與解題指南

6、武漢：華中科技大學(xué)出版社，第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)。紀(jì)律聲明：1、點(diǎn)名六次，=2次不到者取消考試資格；2、作業(yè)7次， =3次缺交者取消考試資格；3、補(bǔ)交作業(yè)最遲不超過兩周。第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)。第一章 半導(dǎo)體基本器件及其應(yīng)用學(xué)時(shí)數(shù)：12內(nèi)容框架：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能PN結(jié)的形成及基本特性二極管穩(wěn)壓管雙極型三極管單極型三極管結(jié)構(gòu)特性電路模型應(yīng)用電路工作特點(diǎn)應(yīng)用結(jié)構(gòu)工作原理特性曲線電路模型結(jié)構(gòu)工作原理特性曲線電路模型重點(diǎn)和難點(diǎn)：1、二極管的特性及應(yīng)用電路2、BJT的工作原理、特性和小信號(hào)模型3、FET的工作原理、特性和小信號(hào)模型第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)。1-1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 問題： 1、半導(dǎo)體材料中存在哪幾

7、種載流子？ 它們的濃度決定于哪些因素？ 3、半導(dǎo)體中的載流子有哪些運(yùn)動(dòng)形式？ 相關(guān)概念： 本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)；N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體；多子、少子；擴(kuò)散電流、漂移電流 半導(dǎo)體材料 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 主要內(nèi)容： 2、影響半導(dǎo)體溫度穩(wěn)定性的主要因素是什么？第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)。1、什么叫半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料為硅、鍺。一、半導(dǎo)體材料導(dǎo)體：一般為低價(jià)元素，其最外層電子極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，在外電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)形成電流。如鐵、銅、鋁等金屬元素。絕緣體：一般為高價(jià)元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），其最外層電子原子核的束

8、縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，導(dǎo)電性極差。半導(dǎo)體：常用的半導(dǎo)體為四價(jià)元素（如硅、鍺），它們的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而其到點(diǎn)性能也介于這兩者之間。2、半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)（1）摻雜性：摻入微量的雜質(zhì)可使其電阻率大大降低。（2）熱敏性：一些半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的上升而明顯下降。（3）光敏性：一些半導(dǎo)體的電阻率隨光照的增強(qiáng)而明顯下降。第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)。二、 本征半導(dǎo)體純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+4慣性核價(jià)電子+14Si+32Ge簡(jiǎn)化的原子結(jié)構(gòu)模型半導(dǎo)體的原子間以共價(jià)鍵結(jié)合，制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

9、 即相鄰兩個(gè)原子的最外層電子形成共用電子對(duì)（即共價(jià)鍵），構(gòu)成一種非常穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)。2、本征激發(fā)（1）T=0K(273C），且無外界其他能量激發(fā)時(shí)，價(jià)電子不能掙脫共價(jià)鍵的束縛，晶體中沒有自由電子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。（2）本征激發(fā)（熱激發(fā)）：自由電子價(jià)電子獲得足夠能量T（或光照）空 穴自由電子在無序的運(yùn)動(dòng)過程中有可能與空穴相遇而復(fù)合。在一定的溫度下，自由電子和空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電子和空穴的濃度相等。自由電子空穴成對(duì)出現(xiàn)溫度升高，電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的價(jià)電子增多，自由電子和空穴的濃度升高。第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)。（3）本征半導(dǎo)體中的兩種載流子載流子運(yùn)載電荷的粒子

10、。自由電子空穴自由電子：在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與電 場(chǎng)方向相反，是一種帶負(fù)電荷的載流子。空穴：在外電場(chǎng)的作用下，空穴附近的價(jià)電子會(huì)依次遞補(bǔ)空穴，相當(dāng)于空穴在晶體中移動(dòng)，由于空穴的運(yùn)動(dòng)方向與電子的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以空穴是一種帶正電荷的載流子。結(jié)論：常溫下本征半導(dǎo)體存在兩種載流子， 自由電子和空穴，兩者濃度相等。在外電場(chǎng)作用下，自由電子和空穴 的運(yùn)動(dòng)方向相反，外部電流是兩種 運(yùn)動(dòng)的疊加。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度密 切相關(guān)，在一般的溫度下條件， 導(dǎo)電性極差。動(dòng)畫演示第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)。三、 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中人為摻入特定雜質(zhì)而形成1、N型半導(dǎo)體（電子型Negative）雜質(zhì)

11、原子提供多余電子(施主雜質(zhì))自由電子(濃度大)用擴(kuò)散工藝將本征半導(dǎo)體中的某些硅原子用5價(jià)元素(P)代替。 室溫 掙脫束縛多數(shù)載流子自由電子空 穴(濃度低）本征激發(fā)少數(shù)載流子(多子)(少子)N型半導(dǎo)體中電子濃度大，主要靠電子導(dǎo)電，稱為電子型半導(dǎo)體。55問題：空穴比未加雜質(zhì)時(shí)多了？還是少了？為什么？結(jié)論：（1）N型半導(dǎo)體中多子是電子，主要由摻雜產(chǎn)生，多子濃度近似 等于雜質(zhì)濃度。（2）N型半導(dǎo)體中少子是空穴，由本征激發(fā)產(chǎn)生，少子濃度受 溫度影響很大。第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)。53用擴(kuò)散工藝將本征半導(dǎo)體中的某些硅原子用3價(jià)元素(B)代替。2、P型半導(dǎo)體（空穴型Positive）雜質(zhì)原子產(chǎn)生空穴(濃度大）(

12、受主雜質(zhì))多子自由電子(濃度低）空 穴本征激發(fā)少子 P型半導(dǎo)體中多子是空穴，主要靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型半導(dǎo)體。結(jié)論：（1）P型半導(dǎo)體中多子是空穴，主要由摻雜產(chǎn)生，多子濃度近似等于雜質(zhì)濃度。（2）P型半導(dǎo)體中少子是電子，由本征激發(fā)產(chǎn)生，少子濃度受溫度影響很大。(接受電子)第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)。3、雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。（2）多子的濃度近似等于摻雜的濃度，摻入的雜質(zhì)越多， 多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性能可控。（3）少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，濃度很小，但是受溫度影 響很大，是影響半導(dǎo)體溫度穩(wěn)定性的主要因素。思考題：（1）在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化

13、嗎？（2）多子和少子變化的數(shù)目相等嗎？（3）多子和少子變化的濃度相等嗎？第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)。四、 載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)1、漂移運(yùn)動(dòng)和漂移電流EV 在外電場(chǎng)作用下，自由電子和空穴對(duì)電流的貢獻(xiàn)是疊加的。電場(chǎng)作用電子沿電場(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)空穴沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)漂移電流2、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流X光照載流子濃度差擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流是半導(dǎo)體中載流子的一種特殊運(yùn)動(dòng)形式，是由于載流子的濃度差引起的，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)總是從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域進(jìn)行。結(jié)論：半導(dǎo)體中的載流子存在兩種運(yùn)動(dòng)形式，一是電位差即 電場(chǎng) 產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)，二是濃度差產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。第二十三頁(yè)，

14、共三十一頁(yè)。1-2 PN結(jié)原理 相關(guān)概念： 空間電荷區(qū)、 勢(shì)壘、 正偏、反偏 PN結(jié)的形成 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的電容效應(yīng) 主要內(nèi)容： 勢(shì)壘電容、擴(kuò)散電容反向飽和電流、第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)。 在一塊半導(dǎo)體基片上，通過擴(kuò)散工藝，將半導(dǎo)體的一側(cè)摻成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻成N型半導(dǎo)體，在兩者的交界面處將會(huì)形成一個(gè)“PN結(jié)”，PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)單元。PN 一、PN結(jié)的形成P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于N區(qū)N區(qū)電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P區(qū)第二十五頁(yè)，共三十一頁(yè)。PN1、多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)PN 在N型和P型半導(dǎo)體的界面兩側(cè)，電子和空穴的濃度相差懸殊，導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。N區(qū)中的電子 向P區(qū)擴(kuò)散 在N區(qū)留下正離

15、子P區(qū)中的空穴 向N區(qū)擴(kuò)散 在P區(qū)留下負(fù)離子伴隨著擴(kuò)散和復(fù)合運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，在P、N型半導(dǎo)體的界面附近載流子濃度下降，形成了一個(gè)帶電的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū) 空間電荷區(qū)中缺少能夠自由移動(dòng)的載流子，所以也稱為耗盡層。第二十六頁(yè)，共三十一頁(yè)。2、內(nèi)建電場(chǎng)與少子的漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)建電場(chǎng)：E由N區(qū)指向P區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)促使少子的漂移運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散 空間電荷區(qū)寬度 E 促進(jìn)少子漂移阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（阻擋層）3、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的PN結(jié)在無外電場(chǎng)和其他激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。結(jié)果：PN結(jié)中總電流為0?？臻g電荷區(qū)寬度穩(wěn)定，形成PN結(jié)。PN動(dòng)畫演

16、示阻止多子擴(kuò)散第二十七頁(yè)，共三十一頁(yè)。4、PN結(jié)的接觸電位差（內(nèi)建電位差）電位電子勢(shì)能空間電荷區(qū)內(nèi)的P區(qū)帶負(fù)電荷，N區(qū)帶正電荷，兩者之間形成電位差，稱為接觸電位差 （ U ） 。常溫下（T=300K）硅：鍺：電子帶負(fù)電，所以P區(qū)的電子勢(shì)能高于N區(qū)的電子勢(shì)能，電子要從N區(qū)到達(dá)P區(qū)需要越過一個(gè)能量高坡，稱之為勢(shì)壘。所以空間電荷區(qū)也稱為勢(shì)壘區(qū)。PN結(jié)空間電荷區(qū)耗盡層阻擋層勢(shì)壘區(qū)EPN第二十八頁(yè)，共三十一頁(yè)。二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、什么叫偏置PN結(jié)正向偏置：P區(qū)接高電位；N區(qū)接低電位PN結(jié)反向偏置：N區(qū)接高電位；P區(qū)接低電位正偏反偏在半導(dǎo)體器件上所加的直流電壓或電流。第二十九頁(yè)，共三十一頁(yè)。2、正向偏置的PN結(jié)正向偏置外電場(chǎng)削 弱內(nèi)電場(chǎng)勢(shì)壘 降低阻擋層變窄漂移電流擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流的全過程：電子由電源負(fù)極N區(qū)PN結(jié)P區(qū)與P區(qū)空穴復(fù)合E正偏電壓PN結(jié)內(nèi)的電場(chǎng) ID P 區(qū)空穴由電源正極提供正偏時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，產(chǎn)生隨正向電壓增大而增大的正向電流。形成較大擴(kuò)散電流ID。ID第三十