第一章半导体基础知识共资料课件.ppt

1、模拟电子技术模拟电子技术电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程第一章第一章 半导体基础知识半导体基础知识信息工程学院信息工程学院电子技术基础课程组电子技术基础课程组 3/7/20192/15/2023半导体基础知识半导体基础知识1.1 电子技术发展简史电子技术发展简史1.2 电子技术的应用电子技术的应用1.3 电子电路及其工作信号电子电路及其工作信号计算机技术计算机技术通信技术通信技术 广播电视产业广播电视产业汽车全时数字化汽车全时数字化电力电子技术电力电子技术。作业：课后进一步阅读作业：课后进一步阅读1.1、1.2熟悉熟悉 Multisim 10.0 仿真环境仿真环境1.4 半导体基础知识

2、半导体基础知识1.5 PN结结 3/7/20192/15/20231.3 电子电路及其工作信号电子电路及其工作信号 电子系统电子系统各种各种形式形式的物的物理量理量传传感感器器各种各种伺服伺服机构机构信号信号信号信号信号源信号源电压源：戴维宁电压源：戴维宁(南南)等效电路等效电路电流源：诺顿等效电路电流源：诺顿等效电路 3/7/20192/15/20231.3 电子电路及其工作信号电子电路及其工作信号 电子系统与信号电子系统与信号 电子系统电子系统 信号信号 信号的频谱信号的频谱 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 对信号的处理对信号的处理 放大电路的基本知识放大电路的基本知识 放大的本质放

3、大的本质 四种基本模型四种基本模型 主要性能指标主要性能指标 3/7/20192/15/2023电子系统电子系统系统：实现某种功能（行使某种职能）的相对独系统：实现某种功能（行使某种职能）的相对独 立的事物整体。多个系统能够构成更大、立的事物整体。多个系统能够构成更大、更复杂的系统。更复杂的系统。电子系统：完成信号的检测、处理变换、传输以电子系统：完成信号的检测、处理变换、传输以 及产生对伺服机构的控制信号。及产生对伺服机构的控制信号。分类：数字电子系统、模拟电子系统分类：数字电子系统、模拟电子系统模拟电路的工作对象：模拟信号，在时间和数值上均模拟电路的工作对象：模拟信号，在时间和数值上均连续

4、的信号（电压或电流）。连续的信号（电压或电流）。3/7/20192/15/2023信号信号 本质：各种信息的载体；电子系统中专指电信号本质：各种信息的载体；电子系统中专指电信号 理想的信号源：电压源或电流源，不受负载变化理想的信号源：电压源或电流源，不受负载变化的影响的影响 表达方式和特性：时域表达方式、频域表达方式表达方式和特性：时域表达方式、频域表达方式（频谱图）（频谱图）3/7/20192/15/2023信号的频谱信号的频谱 周期信号的傅里叶级数表达式周期信号的傅里叶级数表达式(直流分量、基波直流分量、基波 分量、高次谐波分量分量、高次谐波分量)幅度频谱幅度频谱 相位频谱相位频谱 非周期

5、信号的频谱（连续频率函数形式）非周期信号的频谱（连续频率函数形式）所有周期信号所有周期信号；所有非周期信号；所有非周期信号Nyquist-shannon sampling theorem:Aliasing Nyquist criterion anti-aliasing filter 3/7/20192/15/2023放大电路的原理框图放大电路的原理框图实际输入信号决定信号源：电压源、电流源实际输入信号决定信号源：电压源、电流源所需输出信号决定放大电路等效为：受控电流源、受控电压源所需输出信号决定放大电路等效为：受控电流源、受控电压源电路中的每一部分对前级而言相当于负载；对后级而言相当于电路中的

6、每一部分对前级而言相当于负载；对后级而言相当于信号源信号源 3/7/20192/15/2023放大电路基本知识放大电路基本知识 四种基本类型及模型：四种基本类型及模型：电压放大电路、电流放大电路、互阻放大电路、电压放大电路、电流放大电路、互阻放大电路、互导放大电路。互导放大电路。放大的本质：放大的本质：对能量的控制和转换；是最基本的模拟信号处理功对能量的控制和转换；是最基本的模拟信号处理功能，放大电路是构成其它模拟电路的基本组成单元。能，放大电路是构成其它模拟电路的基本组成单元。放大电路的原理框图放大电路的原理框图 主要性能指标主要性能指标 3/7/20192/15/2023电压放大电路电压放

7、大电路+-VsIiRs+-RiAVoViRo+-Io+-RLVoRoRi电压放大电路的基本模型电压放大电路的基本模型1 1、输入电阻、输入电阻Ri i：iiiivR 2 2、输出电阻、输出电阻Ro：信号源短路（保留内阻）、负载开路的：信号源短路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压情况下，在输出端加测试电压vt t；实；实验的方法获得验的方法获得Ro的值。的值。Vi3 3、增益：、增益：oLLoioRRRAvvAvv 适用于：适用于：3/7/20192/15/2023电流放大电路电流放大电路IsIiRs+-RiAisIiIo+-RLVoRoRi电流放大电路的基本模型电流放大电路的基

8、本模型1 1、输入电阻、输入电阻Ri i：iiiivR 2 2、输出电阻、输出电阻Ro：信号源开路（保留内阻）、负载开路的：信号源开路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压情况下，在输出端加测试电压vt tVi3 3、增益：、增益：RooLosioRRRAiiAii 适用于：适用于：3/7/20192/15/2023互阻放大电路互阻放大电路RiAroIiRo+-Io+-RLVoRo互阻放大电路的基本模型互阻放大电路的基本模型1 1、输入电阻、输入电阻Ri i：iiiivR 2 2、输出电阻、输出电阻Ro：信号源短路（保留内阻）、负载开路的：信号源短路（保留内阻）、负载开路的情况下，

9、在输出端加测试电压情况下，在输出端加测试电压vt t3 3、增益：、增益：IsRs+-RiViIioLLoioRRRAivArr 适用于：适用于：3/7/20192/15/2023互导放大电路互导放大电路+-VsIiRs+-RiIo+-RLVoRoRiVi互导放大电路的基本模型互导放大电路的基本模型1 1、输入电阻、输入电阻Ri i：2 2、输出电阻、输出电阻Ro：信号源短路（保留内阻）、负载开路的：信号源短路（保留内阻）、负载开路的情况下，在输出端加测试电压情况下，在输出端加测试电压vt t3 3、增益：、增益：AgsViRooLosioRRRAviAgg 适用于：适用于：3/7/20192

10、/15/2023放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 衡量品质优劣的标准；决定其使用范围的依据。衡量品质优劣的标准；决定其使用范围的依据。输入电阻（对前级电路的等效负载）输入电阻（对前级电路的等效负载）输出电阻（对后级电路的等效信号源内阻）输出电阻（对后级电路的等效信号源内阻）增益（放大倍数，表明放大电路的放大能力）增益（放大倍数，表明放大电路的放大能力）频率响应和带宽以及信号的线性失真频率响应和带宽以及信号的线性失真 非线性失真非线性失真)()()j()j()j(io VVAVVA 3/7/20192/15/2023半导体基本知识半导体基本知识1一、半导体材料一、半导体材料 种类种类

11、元素半导体：硅（元素半导体：硅（Si）、锗（）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（化合物半导体：砷化镓（GaAs）本征激发本征激发掺杂特性掺杂特性二、半导体的共价键结构二、半导体的共价键结构 四价元素四价元素 晶体结构晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4价价电电子子共共价价键键 导电性能：介于导体和绝缘体之间导电性能：介于导体和绝缘体之间 共价键共价键束束缚缚电电子子 3/7/20192/15/2023半导体的基本知识半导体的基本知识2三、本征半导体、空穴及其导电作用三、本征半导体、空穴及其导电作用 本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体 本

12、征激发：本征半导体本征激发：本征半导体共价键中的束缚电子共价键中的束缚电子在外界能量在外界能量（光、热）的（光、热）的激发激发下下,挣脱共价键的束缚成为挣脱共价键的束缚成为自由电子自由电子，同时在原来的位置留下同时在原来的位置留下空穴空穴.+4+4+4+4+4+4+4+4+4 复合：与本征激发相反的现象复合：与本征激发相反的现象在一定温度下，在一定温度下，本征激发本征激发和和复合复合同同时进行，达到时进行，达到动态平衡动态平衡。所以本征。所以本征半导体中电子空穴对的浓度一定，半导体中电子空穴对的浓度一定，与材料本身的特性以及环境有关。与材料本身的特性以及环境有关。自由电子在运动过程中失去能量自

13、由电子在运动过程中失去能量,与空穴相遇，使电子空穴成对消与空穴相遇，使电子空穴成对消失，该现象称为复合。失，该现象称为复合。3/7/20192/15/2023半导体基本知识半导体基本知识3+4+4+4+4+4+4+4+4+4 载流子：在外加电场作用下自载流子：在外加电场作用下自由移动的由移动的自由电子自由电子和和空穴（束空穴（束缚电子）缚电子）n 空穴导电空穴导电n 导电机制导电机制 小结：小结：本征半导体在本征半导体在本征激发本征激发的作用的作用下，下，自由电子自由电子、空穴空穴成对出现；成对出现；其导电性取决于外加能量：其导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照温度变化，导电性变化

14、；光照变化，导电性变化。变化，导电性变化。3/7/20192/15/2023导电机制导电机制+4+4+4+4+4+4+4+4+4E自由电子自由电子空穴空穴 3/7/20192/15/2023半导体基本知识半导体基本知识4四、杂质半导体四、杂质半导体 在在本征半导体本征半导体中掺入某些中掺入某些微量杂质元素微量杂质元素。用掺杂的方法来增加载流子的浓度。用掺杂的方法来增加载流子的浓度。分类分类+N（电子）型半导体（电子）型半导体P（空穴）型半导体（空穴）型半导体少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关 3/7/20192/15/2023多数载流子多数载流子 空穴空穴

15、+4+4+4+4+4+4+3+4+4P（空穴）型半导体（空穴）型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价三价杂质元素，如硼、镓、铟等。杂质元素，如硼、镓、铟等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对P P型半导体型半导体 少数载流子少数载流子 自由电子自由电子 3/7/20192/15/2023N（电子）型半导体（电子）型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入五价五价杂质元素，例如磷，、锑砷等杂质元素，例如磷，、锑砷等多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5+N型半导体型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子

16、电子空穴对电子空穴对多数载流子多数载流子 自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴 3/7/20192/15/2023PNPN结的形成及特性结的形成及特性一、一、载流子的扩散和漂移载流子的扩散和漂移三、三、PN结的单向导电性（外加电场打破动态平衡）结的单向导电性（外加电场打破动态平衡）四、四、PN结的伏安特性和电容效应结的伏安特性和电容效应(自学自学P P171718)二、二、PN结的形成（动态平衡）结的形成（动态平衡）外加电场作用下载流子的定向（顺外加电场作用下载流子的定向（顺/逆电场方逆电场方向）移动向）移动漂移运动漂移运动/漂移电流漂移电流 载流子基于浓度差异和随机热运动速度的移载

17、流子基于浓度差异和随机热运动速度的移动动扩散扩散/扩散电流扩散电流 扩散电容扩散电容 势垒电容势垒电容 载流子基于浓度差异和随机热运动速度的移载流子基于浓度差异和随机热运动速度的移动动扩散扩散/扩散电流扩散电流 3/7/20192/15/2023PN结的形成结的形成1内电场内电场E E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移阻止多子扩散，促使少子漂移PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层P型半导体型半导体N型半导体型半导体+3/7/20192/15/2023少子飘

18、移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E E动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0 0势垒势垒 VO硅硅 0.5V0.5V锗锗 0.1V0.1V对称结与不对称结；对于不对称结，耗尽区主要对称结与不对称结；对于不对称结，耗尽区主要伸向轻掺杂区一边伸向轻掺杂区一边PN结的形成结的形成2 3/7/20192/15/2023PN结的单向导电性结的单向导电性1(1)(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P P区，负极接区，负极接N N区区 外电场的

19、方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流IF+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流forward biased 3/7/20192/15/2023(2)(2)外加反向电压外加反向电压 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPNrev

20、erse biased PN结的单向导电性结的单向导电性2 3/7/20192/15/2023PNPN结的单向导电性（总结）结的单向导电性（总结）3 3无外加电压时，因无外加电压时，因PN 结两边载流子浓度差引起的扩散电流结两边载流子浓度差引起的扩散电流与自建内电场引起的漂移电流相等，处于动态的电平衡；与自建内电场引起的漂移电流相等，处于动态的电平衡；PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，阻，PN结导通；结导通；PN结加结加一定范围内的一定范围内的反向电压时，具有很小的反向漂移电反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，流

21、，呈现高电阻，PN结截止。结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故故IR基本上与外加反压的大小无关基本上与外加反压的大小无关，所以称为所以称为反向饱和电反向饱和电流流。但。但IR与温度有关。与温度有关。3/7/20192/15/2023PNPN结的伏结的伏-安特性曲线安特性曲线 根据理论推导，根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆qkTVIinVv TSD ),1(eTDmV26)K(27300T VT时时，n为发射系数；为发射系数；k为玻耳兹曼常数；为玻耳兹曼常数；q为电子电荷为电子电荷