半導體基礎知識 (4)課件

模擬電子技術基礎

——多媒體教學E-mailTel:

1.1什么是電子技術1.2本課程的性質、任務和重點內容1.3本課程的特點和學習方法1.4半導體基礎知識1半導體基礎知識1.5PN結電子技術就是研究電子器件、電子電路及其應用的科學技術。1．電子器件電子器件的發(fā)展歷程1.1什么是電子技術d.電子受外加電場和磁場的作用，在真空中運動就形成了電子管中的電流。電子管的結構和工作原理a.有密封的管殼，內部抽到高真空。b.在熱陰極電子管中，有一個陰極。c.陰極可由燈絲加熱，使溫度升高，發(fā)射出電子。電子管的主要特點a.體積大、重量重、耗電大、壽命短。b.目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用。(2)離子管a.與電子管類似,也抽成高真空。b.管子中的電流，除了電子外，也有正離子。1905年愛因斯坦闡述相對論——E＝mc21906年亞歷山德森研制成高頻交流發(fā)電機德福雷斯特在弗菜明二極管上加柵極，制成第一只三極管1912年阿諾德和蘭米爾研制出高真空電子管1917年坎貝爾研制成濾波器1922年弗里斯研制成第一臺超外差無線電收音機1934年勞倫斯研制成回旋加速器1940年帕全森和洛弗爾研制成電子模擬計算機1947年肖克萊、巴丁和布拉頓發(fā)明晶體管；香農奠定信息論的基礎主要大事記a.體積小、重量輕。e.加電壓不能太高。晶體管的主要特點b.壽命長、功耗低。c.受溫度變化的影響較大。d.過載能力較差。1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊研制成第一個點接觸型晶體管1948年貝爾實驗室的香農發(fā)表信息論的論文英國采用EDSAG計算機，這是最早的一種存儲程序數(shù)字計算機1949年諾伊曼提出自動傳輸機的概念1950年麻省理工學院的福雷斯特研制成磁心存儲器1952年美國爆炸第一顆氫彈1954年貝爾實驗室研制太陽能電池和單晶硅1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星1958年美國得克薩斯儀器公司和仙童公司宣布研制成第一個集成電路主要大事記2．電子電路電子器件與電阻器、電感器、電容器、變壓器、開關等元件適當?shù)剡B接起來所組成的電路。電子電路的主要特點控制方便、工作靈敏、響應速度快等。分立電路——由各種單個的電子器件和元件構成的電路(3)體積大，功耗大，可靠性低。分立電路的主要特點(1)把許多元件和器件焊接在印制電路板上。(2)焊點多，容易造成虛焊。集成電路（IC—integratedcircuit）——把許多晶體管與電阻等元件制作在同一塊硅晶片上的電路(1)體積小，重量輕。

集成電路的主要特點(2)功耗小。(3)可靠性高。(4)壽命長。世界上第一塊集成電路在1959年美國的德州儀器公司和西屋電氣公司誕生，電路上僅集成了4只晶體管。集成電路發(fā)展的歷程(1)小規(guī)模集成電路(2)中規(guī)模集成電路(3)大規(guī)模集成電路(4)超大規(guī)模集成電路（5）特大規(guī)模集成電路集成電路分類

集成電路制造技術的發(fā)展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構成了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石?？删幊踢壿嬈骷≒LD）微控制芯片（MCU）數(shù)字信號處理器（DSP）大規(guī)模存儲芯片（RAM/ROM）3．電子技術應用有線載波通信、激光通信、光纖維通信等。特點：快速、靈敏、精確等。(1)通信系統(tǒng)無線電通信(包括廣播、電報、電視等)、(2)自動控制在自動化技術中，電子控制是后起之秀。

(3)測量方面的應用電測量的主要特點a.準確度和靈敏度高，測量范圍廣。b.可以智能化。c.可以進行遠距離測量。a.電量測量b.非電量電測量現(xiàn)代微型計算機的主要特點a.采用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路b.功耗低c.體積小d.重量輕e.運算速度快f.功能強大(5)電子技術對汽車電子化的發(fā)展1960年——1974年，汽車發(fā)動機開始采用半導體式點火裝置代替機械式觸發(fā)點火。1974年——1990年，汽車發(fā)動機開始大量使用集成電路和16位微處理器。1990年以后汽車電子向智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展。例如電子燃油噴射系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)等。

對前面課程的要求1信號的表達方式2電阻的串并聯(lián)，電壓分壓，電流分流3戴維南定理及諾頓定理及其相互轉換4電路中的電位5受控電源6交直流計算問題7KVLKCL是指電子電路的基本分析方法。是指基本的電子器件和電子電路的性能以及其主要應用。是指電子測試技術、電子電路的分析計算能力和識圖能力。基本技能基本知識基本理論(1)電子器件，包括集成電路。不深入討論器件內部微觀的物理過程及生產工藝本課程的基本內容學習的重點a.掌握電子器件的外部特性b.掌握電子器件在電路中的基本應用注意的事項2．課程內容的重點(2)電路學習的重點(a)最基本的電路結構(b)電路的工作原理(c)電路的分析方法(d)電路的組合規(guī)律(e)典型應用電路(5)電路的分類按照處理信號的不同模擬電路數(shù)字電路兩類電路的主要區(qū)別a.電路中信號模擬電路數(shù)字電路信號波形是連續(xù)變化的信號波形是躍變的

b.電路中電子器件的工作狀態(tài)模擬電路數(shù)字電路電子器件工作在放大狀態(tài)電子器件工作在開關狀態(tài)1.3本課程的特點和學習方法

1.本課程的主要特點d.電路種類多。a.內容比較龐雜。b.技術術語多。c.基本概念多。e.課程的難點都集中在前幾章，初學者都會有“入門難”的感覺。(1)注重物理概念(2)采用工程觀點2.本課程的學習方法實際工程問題的特點a.電子器件的特性具有分散性b.元器件的實際參數(shù)值與標稱值有一定的偏差d.難以進行精確計算c.實際參數(shù)值受環(huán)境溫度等因素的影響而偏離設計值實際工程問題的算法——估算法a.忽略一些次要的因素。b.采用簡化的工程模型。工程問題合理估算的依據(jù)估算結果所產生的誤差應不超過10%c.有些實際問題的簡化處理往往是經驗，或者由實驗證明而得出的結論。工程估算的目的a.不是為了獲得精確的結果。b.而是為了獲得清晰的、定性的概念和結論。c.利用獲得概念和結論，進一步指導電路和系統(tǒng)的設計和實驗。1.4半導體基礎知識

自然界中，很容易導電的物質成為導體，金屬一般都是導體有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮，陶瓷，塑料和石英，另外有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體。導電能力(電阻率)導體半導體絕緣體

(1)熱敏性：導體的導電能力對溫度反應靈敏，受溫度影響大。當環(huán)境溫度升高時，其導電能力增強，稱為熱敏性。利用熱敏性可制成熱敏元件。(2)光敏性：導體的導電能力隨光照的不同而不同。當光照增強時，導電能力增強，稱為光敏性。利用光敏性可制成光敏元件。(3)摻雜性：導體更為獨特的導電性能體現(xiàn)在其導電能力受雜質影響極大，稱為摻雜性。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。熱敏性光敏性摻雜性主要特性熱敏電阻光電二極管和光電三極管及光敏電阻二極管、三極管、場效應管半導體特性

+4價電子硅和鍺的原子結構及簡化模型+4典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。1.4.1本征半導體

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。把硅和鍺材料制成單晶體時，相鄰兩個原子的一對最外層電子成為共有電子，它們一方面圍繞自身的原子核運動，另一方面又出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，即價電子不僅受到自身原子核的作用，同時還受到相鄰原子核的吸引。于是，相鄰的原子共有一對價電子，組成共價鍵結構。

本征半導體的共價鍵結構1.本征半導體的晶體結構1.本征半導體的晶體結構在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。2.本征半導體的兩種載流子

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴?？昭?/p>

可見本征激發(fā)同時產生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負電荷逆電場運動電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－載流子空穴帶正電荷順電場運動空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化->導電性變化；光照變化->導電性變化。導電機制

由此可見：半導體中存在兩種載流子，帶負電的自由電子和帶正電的空穴?？昭ê妥杂呻娮邮浅蓪Ξa生的，因此，它們的濃度是相等的。本征半導體的導電性能很差，而且和環(huán)境溫度密切相關。本征半導體材料性能對溫度的這種敏感性，既可以用來制作熱敏元件和光敏元件，又是造成半導體器件溫度性能差的原因。第二講1.4.2雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質元素。用摻雜的方法來增加載流子的濃度。(1)N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。N型半導體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對c.電子是多數(shù)載流子，簡稱多子;空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。e.因電子帶負電，稱這種半導體為N(negative)型或

電子型半導體。f.因摻入的雜質給出電子，又稱之為施主雜質。b.N型半導體中產生了大量的(自由）電子和正離子。小結d.np×nn=K(T)a.N型半導體是在本征半導體中摻入少量五價雜質元素形成的。

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對(2)

P型半導體c.空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。e.因空穴帶正電，稱這種半導體為P(positive)型或空穴型半導體。f.因摻入的雜質接受電子，故稱之為受主雜質。a.P型半導體是在本征半導體中摻入少量的三價雜質元素形成的。b.

P型半導體產生大量的空穴和負離子。小結d.np×nn=K(T)雜質半導體中多數(shù)載流子濃度主要取決于摻入的雜質濃度，即每摻入一個雜質原子就可以增加一個多數(shù)載流子。由于少數(shù)載流子是半導體材料本征激發(fā)產生的，因而其濃度主要取決于溫度。當摻入三價元素的密度大于五價元素的密度時，可將N型轉為P型；雜質半導體的轉型當摻入五價元素的密度大于三價元素的密度時，可將P型轉為N型。1.4.3載流子的漂移運動和擴散運動外加電場作用下載流子的定向（順/逆電場方向）移動——漂移運動/漂移電流載流子基于濃度差異和隨機熱運動速度的移動——擴散/擴散電流內電場E因多子濃度差形成內電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。P、N結合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層1.5PN結1.5.1PN結的形成

少子漂移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V當擴散與漂移作用平衡時a.流過PN結的凈電流為零b.PN結的厚度一定（約幾個微米）c.接觸電位一定（約零點幾伏）內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層1.5.2PN結的單向導電性(1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內電場方向相同。

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

PN結的電壓與電流關系IS——PN結反向飽和電流UT——熱電壓式中UT=KT/qq——電子電量T——絕對溫度在室溫（T=300K)時，UT=26mv

。K——玻耳茲曼常數(shù)其中1.5.3PN結的擊穿和電容效應

當?shù)姆聪螂妷涸黾拥揭欢〝?shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿（大電流）——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿—可逆a.齊納擊穿

產生擊穿的機理半導體的摻雜濃度高擊穿電壓低于4V擊穿電壓具有負的溫度系數(shù)空間電荷層中有較強的電場電場將PN結中的價電子從共價鍵中激發(fā)出來擊穿的機理條件擊穿的特點半導體的摻雜濃度低擊穿電壓高于6V擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)空間電荷區(qū)中就有較強的電場電場使PN結中的少子“碰撞電離”共價鍵中的價電子擊穿的機理條件擊穿的的特點b.雪崩擊穿3.

PN結的電容效應

PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容Cb

，二是擴散電容Cd。(1)勢壘電容Cb

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加反向電壓（漂移）使PN結上壓降發(fā)生變化時，耗盡層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電（變容二極管）。PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子（非平衡少子），與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，到遠離交界面處，形成一定的濃度梯度分布曲線。電壓增大，正向（擴散）電流增大。(2)擴散電容Cd擴散電容示意圖擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。本章小結1.本征半導體及其特點

純凈的半導體稱為本征半導體。在熱“激發(fā)”條件下，本征半導體中的電子和空穴是成對產生的；當電子和空穴相遇“復合”時，也成對消失；電子和空穴都是載流子；溫度越高，“電子—空穴”對越多；在室溫下，“電子—空穴”對少，故電阻率大。（1）N型半導體：在本征硅或鍺中摻入適量五價元素形成N型半導體，N型半導體中電子為多子，空穴為少子；電子的數(shù)目（摻雜+熱激發(fā)）=空穴的數(shù)目（熱激發(fā)）+正粒子數(shù)；半導體對外仍呈電中性。

（2）P型半導體：在本征硅或鍺中摻入適量三價元素，形成P型半導體，其空穴為多子，電子為少子；空穴的數(shù)目（摻雜+熱激發(fā)）=電子的數(shù)目（熱激發(fā)）+負粒子數(shù)；對外呈電中性。在本征半導體中，摻入適量雜質元素，就可以形成大量的