第一講緒論與半導體基礎知識

模擬電路及制作主講：李秀東電話論電子技術的發(fā)展簡史模擬與數(shù)字的關系－－“為什么學”課程的特點－－“怎么學”課程的考核方式－－“怎么考”參考書目與課程資源

電子技術是十九世紀末、二十世紀初開始發(fā)展起來的新興技術。一、電子技術的發(fā)展簡史現(xiàn)在的世界，電子技術無處不在電子技術的應用一、電子技術的發(fā)展簡史1906年，電子管的發(fā)明拉開了現(xiàn)代電子學的序幕，它的誕生為通訊、廣播、電視等技術的發(fā)展鋪平了道路，計算機的歷史也由此跨入新紀元。1947年，世界上第一個晶體管誕生了，它的發(fā)明給現(xiàn)代電子技術帶來了革命性的變化。1958年，杰克.基爾發(fā)明了的一塊鍺集成電路，1959年，羅伯特.諾伊斯發(fā)明了世界上的一塊硅集成電路，集成電路的發(fā)明開創(chuàng)了電子器件微型化的新紀元。不久的將來，量子器件和以分子（原子）為基礎的納米電子學將成為集成電路技術領域的研究熱點。智能計算機、光子計算機、生物芯片、微機電系統(tǒng)將離我們的現(xiàn)實生活不遠。集成電路自發(fā)明以來，就一直以驚人的速度發(fā)展。戈登.摩爾曾預言，芯片上集成的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番，這就是著名的摩爾定律。摩爾的預言當時聽起來象是科幻小說，但是令人驚奇的是該預言竟然40多年來一直有效而準確。計算機從龐然大物變成多數(shù)人不可或缺的便攜工具，集成電路帶動的新技術給社會帶來了翻天覆地的變化。二、模擬與數(shù)字的關系－－“為什么要學”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tu100011012、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，甚至也不能構成完整的數(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)字信號轉換為能夠被現(xiàn)實世界中的用戶接受和理解的模擬信號。

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“模擬技術遲早會被數(shù)字技術取代”的錯誤認知。三、課程的特點－－“怎么學”1、課程特點：工程性、實踐性很強

（1）實際工程需要證明其可行性，強調定性分析。（2）實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許

存在一定的誤差范圍，定量分析為“近似估算”。（3）注重實踐：掌握常用電子儀器的使用方法；電子電路的測試方法；故障的判斷與排除方法；EDA軟件的應用方法。2、怎么學(1)重點掌握“基本概念”、“基本電路”和“基本分析方法”(2)學會全面、辨正地分析模擬電子電路中的問題(3)注意《電路分析》中的基本定理、定律在模擬電子電路分

析中的應用。四、課程的考查方式－－“怎么考”1、會看：讀圖、定性分析

學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：儀器使用、測試方法、故障診斷、EDA解決問題的能力綜合應用所學知識的能力考試方式：期末閉卷考試五、參考書目與課程資源1、康華光．電子技術基礎—模擬部分（第四版）．

高等教育出版社，20062、楊素行．模擬電子技術基礎簡明教程（第三版）．

高等教育出版社，20063、華成英．模擬電子技術基礎（第四版）．

高等教育出版社，20064、華成英.幫你學模擬電子技術基礎--釋疑.解題.考試.

高等教育出版社，20045、陳大欽等．模擬電子技術基礎學習與解題指南．

武漢：華中科技大學出版社，2003課程網(wǎng)址：36/或http://ocw./dept2/280021/index.asp

第一章半導體基礎及二極管學時數(shù)：8內容框架：半導體的導電性能PN結的形成及基本特性二極管穩(wěn)壓管雙極型三極管場效應管結構特性電路模型應用電路工作特點應用結構工作原理特性曲線電路模型結構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§1-1半導體基礎知識

相關概念：

本征半導體、本征激發(fā)；N型半導體、P型半導體；多子、少子；擴散電流、漂移電流

半導體材料

本征半導體

雜質半導體

半導體中載流子的運動

主要內容：1、什么叫半導體——導電性介于導體和絕緣體之間的物質。常用的半導體材料為硅、鍺。一、半導體材料導體：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（如橡膠），其最外層電子原子核的束縛力很強，很難成為自由電子，導電性極差。半導體：常用的半導體為四價元素（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、半導體的獨特性質（1）摻雜性：摻入微量的雜質可使其電阻率大大降低。（2）熱敏性：一些半導體的電阻率隨溫度的上升而明顯下降。（3）光敏性：一些半導體的電阻率隨光照的增強而明顯下降。二、本征半導體——純凈的晶體結構的半導體，半導體材料純度要達到99.9999999%1、本征半導體的共價鍵結構+4慣性核價電子+14Si+32Ge簡化的原子結構模型半導體的原子間以共價鍵結合，即相鄰兩個原子的最外層電子形成共用電子對（即共價鍵），構成一種非常穩(wěn)固的結構。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，半導體不能導電。（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合。在一定的溫度下，自由電子和空穴對的產(chǎn)生和復合達到動態(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。（3）本征半導體中的兩種載流子載流子－－運載電荷的粒子。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。結論：①常溫下本征半導體存在兩種載流子，

自由電子和空穴，兩者濃度相等。②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。③本征半導體的導電性能與溫度密

切相關，在一般的溫度下條件，

導電性極差。三、雜質半導體—在本征半導體中人為摻入特定雜質而形成1、N型半導體（電子型Negative）雜質原子提供多余電子(施主雜質)自由電子(濃度大)用擴散工藝將本征半導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型半導體中電子濃度大，主要靠電子導電，稱為電子型半導體。＋5＋5問題：空穴比未加雜質時多了？還是少了？為什么？結論：（1）N型半導體中多子是電子，主要由摻雜產(chǎn)生，多子濃度近似

等于雜質濃度。（2）N型半導體中少子是空穴，由本征激發(fā)產(chǎn)生，少子濃度受

溫度影響很大。＋5＋3用擴散工藝將本征半導體中的某些硅原子用3價元素(B)代替。2、P型半導體（空穴型Positive）雜質原子產(chǎn)生空穴(濃度大）(受主雜質)多子自由電子(濃度低）空穴本征激發(fā)少子P型半導體中多子是空穴，主要靠空穴導電，稱為空穴型半導體。結論：（1）P型半導體中多子是空穴，主要由摻雜產(chǎn)生，多子濃度近似等于雜質濃度。（2）P型半導體中少子是電子，由本征激發(fā)產(chǎn)生，少子濃度受溫度影響很大。(接受電子)溫度一定時，兩種載流子濃度之積等于本征濃度的平方總有摻雜濃度遠大于本征少子濃度，因此，雜質半導體的多子濃度等于摻雜濃度，而少子濃度與本征濃度有關，隨著溫度的增加而增加3、雜質半導體的特點（1）雜質半導體主要靠多數(shù)載流子導電。（2）多子的濃度近似等于摻雜的濃度，摻入的雜質越多，

多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性能可控。（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，是影響半導體溫度穩(wěn)定性的主要因素。四、載流子在半導體中的運動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。結論：半導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：物質因濃度差而產(chǎn)生的運動?！?-2PN結原理

相關概念：

空間電荷區(qū)、

勢壘、

正偏、反偏

PN結的形成

PN結的單向導電性

PN結的電容效應

主要內容：

勢壘電容、擴散電容反向飽和電流、

在一塊半導體基片上，通過擴散工藝，將半導體的一側摻成P型半導體，另一側摻成N型半導體，在兩者的交界面處將會形成一個“PN結”，PN結是半導體器件的基本結構單元。PN

一、PN結的形成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)PN1、多子的擴散運動PN

在N型和P型半導體的界面兩側，電子和空穴的濃度相差

懸殊，導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合運動的進行，在P、N型半導體的界面

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。2、內建電場與少子的漂移運動內建電場：E由N區(qū)指向P區(qū)內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。結果：PN結中總電流為0?？臻g電荷區(qū)寬度穩(wěn)定，形成PN結。PN阻止多子擴散4、PN結的接觸電位差（內建電位差）電位電子勢能空間電荷區(qū)內的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＝空間電荷區(qū)＝耗盡層＝阻擋層＝勢壘區(qū)EPN二、PN結的單向導電性1、什么叫偏置PN結正向偏置：P區(qū)接高電位；N區(qū)接低電位PN結反向偏置：N區(qū)接高電位；P區(qū)接低電位正偏反偏——在半導體器件上所加的直流電壓或電流。2、正向偏置的PN結正向偏置外電場削

弱內電場勢壘

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P區(qū)與P區(qū)空穴復合E正偏電壓PN結內的電場IDP區(qū)空穴由電源正極提供正偏時，PN結導通，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。ID3、反向偏置的PN結反向偏置外電場與內電場方向一致勢壘

提高阻擋層變寬漂移占優(yōu)勢擴散減弱漂移電流IR很小,

溫度一定時，若外加反向電壓超過某個值后，IR不再隨電壓的增大而增大，達到飽和，稱為反向飽和電流，用IS表示。IS隨溫度的升高而急劇增大。當忽略IR不計時，可認為PN結是截止的。反偏時，PN結截止，具有很小的反向漂移電流。4、結論：①PN結正偏時，呈現(xiàn)低阻，具有較大的正向擴散電流。②PN結反偏時，呈現(xiàn)高阻，具有很小的反向漂移電流。③PN結具有單向導電性。EIR勢壘電容示意圖UD1、勢壘電容CT當PN結外加反偏電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放過程，與電容的充放電過程相同，其等效電容稱為勢壘電容。勢壘電容示意圖UD+