模電第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識詳解演示文稿

1、模電第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識詳解演示文稿第一頁，共三十一頁。（優(yōu)選）模電第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識第二頁，共三十一頁。 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，共三十一頁。半導(dǎo)體元器件的發(fā)展1947年 貝爾實驗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個晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個晶體管。有科學(xué)家預(yù)測，集成度還將按10倍/6年的速度增長，到2015或2020年達到飽和。學(xué)習電

2、子技術(shù)方面的課程需時刻關(guān)注電子技術(shù)的發(fā)展！第四頁，共三十一頁。分立元件電路:集成電路:特點：成本、體積、重量和功耗大，可靠性差特點：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，共三十一頁。二、模擬與數(shù)字的關(guān)系“為什么要學(xué)”1、電子電路中信號的分類數(shù)字信號：離散性時間離散：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)字信號模擬信號：tu連續(xù)性時間、數(shù)值都連續(xù)：任何瞬間、任何值都是有意義的。實際中大多數(shù)物理量為連續(xù)的模擬信號。模擬電路處理模擬信號tu10001101例如：開關(guān)通斷、電壓高低、電流有無。第六頁，共三十一頁。數(shù)字化時代：音樂：CD、MP3電

3、影：MPEG、RM、DVD數(shù)字電視數(shù)字照相機數(shù)字攝影機手機第七頁，共三十一頁。數(shù)字化時代：音樂：CD、MP3電影：MPEG、RM、DVD數(shù)字電視數(shù)字照相機數(shù)字攝影機手機第八頁，共三十一頁。2、數(shù)字時代模擬也精彩，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，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，共三十一頁。2、數(shù)字時代模擬也精彩，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

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

5、”1、會看：讀圖、定性分析 學(xué)完本課程要達成什么目標？2、會算：讀圖、定量估算分析問題的能力3、會選：電路形式、器件、參數(shù)4、會調(diào)：儀器使用、測試方法、 故障診斷、EDA解決問題的能力綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力考試方式：期末閉卷考試成績構(gòu)成：平時（30）期考（70）第十一頁，共三十一頁。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)習與解題指南

6、武漢：華中科技大學(xué)出版社，第十二頁，共三十一頁。紀律聲明：1、點名六次，=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、補交作業(yè)最遲不超過兩周。第十三頁，共三十一頁。第一章 半導(dǎo)體基本器件及其應(yīng)用學(xué)時數(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和難點：1、二極管的特性及應(yīng)用電路2、BJT的工作原理、特性和小信號模型3、FET的工作原理、特性和小信號模型第十四頁，共三十一頁。1-1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 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動形式？ 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)體中載流子的運動 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，共三十一頁。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，在外電場作用下定向移動形成電流。如鐵、銅、鋁等金屬元素。絕緣體：一般為高價元素（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，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，因而其到點性能也介于這兩者之間。2、半導(dǎo)體的獨特性質(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而明顯下降。第十六頁，共三十一頁。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)體的共價鍵結(jié)構(gòu)+4慣性核價電子+14Si+32Ge簡化的原子結(jié)構(gòu)模型半導(dǎo)體的原子間以共價鍵結(jié)合，制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

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

10、。自由電子空穴自由電子：在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，運動方向與電 場方向相反，是一種帶負電荷的載流子?？昭ǎ涸谕怆妶龅淖饔孟?，空穴附近的價電子會依次遞補空穴，相當于空穴在晶體中移動，由于空穴的運動方向與電子的運動方向相反，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。在外電場作用下，自由電子和空穴 的運動方向相反，外部電流是兩種 運動的疊加。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。動畫演示第十九頁，共三十一頁。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)用擴散工藝將本征半導(dǎo)體中的某些硅原子用5價元素(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，共三十一頁。53用擴散工藝將本征半導(dǎo)體中的某些硅原子用3價元素(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，共三十一頁。3、雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點（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，實現(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，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，共三十一頁。四、 載流子在半導(dǎo)體中的運動1、漂移運動和漂移電流EV 在外電場作用下，自由電子和空穴對電流的貢獻是疊加的。電場作用電子沿電場的反方向運動空穴沿電場方向運動載流子的漂移運動漂移電流2、擴散運動和擴散電流X光照載流子濃度差擴散運動擴散電流擴散電流是半導(dǎo)體中載流子的一種特殊運動形式，是由于載流子的濃度差引起的，擴散運動總是從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域進行。結(jié)論：半導(dǎo)體中的載流子存在兩種運動形式，一是電位差即 電場 產(chǎn)生的漂移運動，二是濃度差產(chǎn)生的擴散運動。擴散運動：物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動。第二十三頁，

14、共三十一頁。1-2 PN結(jié)原理 相關(guān)概念： 空間電荷區(qū)、 勢壘、 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： 勢壘電容、擴散電容反向飽和電流、第二十四頁，共三十一頁。 在一塊半導(dǎo)體基片上，通過擴散工藝，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形成一個“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)空穴濃度遠遠高于N區(qū)N區(qū)電子濃度遠遠高于P區(qū)第二十五頁，共三十一頁。PN1、多子的擴散運動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)致載流子的擴散運動。N區(qū)中的電子 向P區(qū)擴散 在N區(qū)留下正離

15、子P區(qū)中的空穴 向N區(qū)擴散 在P區(qū)留下負離子伴隨著擴散和復(fù)合運動的進行，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的載流子，所以也稱為耗盡層。第二十六頁，共三十一頁。2、內(nèi)建電場與少子的漂移運動內(nèi)建電場：E由N區(qū)指向P區(qū)內(nèi)建電場促使少子的漂移運動多子擴散 空間電荷區(qū)寬度 E 促進少子漂移阻止多子的擴散運動（阻擋層）3、擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的PN結(jié)在無外電場和其他激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(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動畫演

16、示阻止多子擴散第二十七頁，共三十一頁。4、PN結(jié)的接觸電位差（內(nèi)建電位差）電位電子勢能空間電荷區(qū)內(nèi)的P區(qū)帶負電荷，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：電子帶負電，所以P區(qū)的電子勢能高于N區(qū)的電子勢能，電子要從N區(qū)到達P區(qū)需要越過一個能量高坡，稱之為勢壘。所以空間電荷區(qū)也稱為勢壘區(qū)。PN結(jié)空間電荷區(qū)耗盡層阻擋層勢壘區(qū)EPN第二十八頁，共三十一頁。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，共三十一頁。2、正向偏置的PN結(jié)正向偏置外電場削 弱內(nèi)電場勢壘 降低阻擋層變窄漂移電流擴散電流擴散電流的全過程：電子由電源負極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 ID P 區(qū)空穴由電源正極提供正偏時，PN結(jié)導(dǎo)通，產(chǎn)生隨正向電壓增大而增大的正向電流。形成較大擴散電流ID。ID第三十