第一講半導(dǎo)體基本知識(shí)

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第一講緒論主講：柳娟

本課程是入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課1947年12月23日，第一次觀測(cè)到了具有放大作用的晶體管；1947年12月23日第一個(gè)點(diǎn)接觸式NPNGe晶體管

發(fā)明者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎(jiǎng)1946年1月，Bell實(shí)驗(yàn)室正式成立半導(dǎo)體研究小組：W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)；晶體管的發(fā)明一、電子技術(shù)的發(fā)展一、電子技術(shù)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)模集成電路二、模擬信號(hào)與模擬電路1.電子電路中信號(hào)的分類數(shù)字量：離散性模擬量：連續(xù)性，大多數(shù)物理量，如溫度、壓力、流量、液面……均為模擬量。2.模擬電路模擬電路：對(duì)模擬量進(jìn)行處理的電路，最基本的處理是放大。放大：能量的控制。輸入為小信號(hào)，有源元件控制電源使負(fù)載獲得大信號(hào)，并保持線性關(guān)系。有源元件：能夠控制能量的元件。三、“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的特點(diǎn)

工程性實(shí)際工程需要證明其可行性。強(qiáng)調(diào)定性分析。實(shí)際工程在滿足基本性能指標(biāo)的前提下總是容許存在一定誤差范圍的。定量分析為“估算”。近似分析要合理。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。電子電路歸根結(jié)底是電路。不同條件下構(gòu)造不同模型。實(shí)踐性常用電子儀器的使用方法電子電路的測(cè)試方法故障的診斷與排除方法EDA軟件的應(yīng)用方法四、如何學(xué)習(xí)這門課程

掌握基本概念、基本電路和基本分析方法基本概念：概念是不變的，應(yīng)用是靈活的?；倦娐罚簶?gòu)成原則是不變的，具體電路是多種多樣的。基本分析方法：不同類型的電路有不同的性能指標(biāo)和描述方法，因而有不同的分析方法。學(xué)會(huì)辯證、全面地分析電子電路中的問題根據(jù)需求，用適用的電路才是最好的電路。研究利弊，通?！坝幸焕赜幸槐住?。注意電路中常用定理在電子電路中的應(yīng)用五、課程目的

掌握基本概念、基本電路、基本分析方法、基本實(shí)驗(yàn)技能具有能夠繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和接收電子技術(shù)新發(fā)展的能力，將所學(xué)知識(shí)用于本專業(yè)的能力。建立起系統(tǒng)的觀念、工程的觀念、科技進(jìn)步的觀念和創(chuàng)新意識(shí)。

會(huì)看：讀圖、定性分析會(huì)算：定量計(jì)算、CAD考察分析問題的能力

會(huì)選：電路形式、器件、參數(shù)考察解決問題的能力----設(shè)計(jì)能力會(huì)調(diào)：測(cè)試方法、儀器選用、EDA考察解決問題的能力----實(shí)踐能力六、考察方法綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題第一章半導(dǎo)體器件第一章半導(dǎo)體器件§1.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.什么是半導(dǎo)體分類材料電導(dǎo)率導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等105S·cm-1半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等10-9~10-2S·cm-1絕緣體SiO2、SiON、Si3N4等10-22~10-14S·cm-1按集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類半導(dǎo)體材料在集成電路的制造中起著根本性的作用，摻入雜質(zhì)可改變電導(dǎo)率/熱敏效應(yīng)/光電效應(yīng)硅、砷化鎵和磷化銦是最基本的三種半導(dǎo)體材料一、本征半導(dǎo)體2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì),導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、晶體管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí),導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)

(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。3.

本征半導(dǎo)體

完全純凈的、晶格完整的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。價(jià)電子價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量(溫度升高或受光照)后,即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子(帶負(fù)電),同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場(chǎng)的作用下,空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于正電荷的移動(dòng))?？昭ū菊靼雽?dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差;(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。本證半導(dǎo)體中自由電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí),又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中的載流子便維持一定的數(shù)目。

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素),形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。P+二、雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或

P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體183.雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。193.雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）baOpenforQuestion食物不咀嚼不好消化，知識(shí)不討論不易吸收三、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.

PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)。

擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)

內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）

PN結(jié)加正向電壓(正向偏置)P接正、N接負(fù)

內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng),形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)變窄外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–U2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–UPN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少,形成很小的反向電流。IRP接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增大。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–U26四、PN結(jié)的電容效應(yīng)勢(shì)壘電容CB：勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。擴(kuò)散電容CD：為了形成正向電流（擴(kuò)散