第一講半導(dǎo)體基本知識

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，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管；1947年12月23日第一個點(diǎn)接觸式NPNGe晶體管

發(fā)明者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎1946年1月，Bell實驗室正式成立半導(dǎo)體研究小組：W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計了實驗；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)模集成電路二、模擬信號與模擬電路1.電子電路中信號的分類數(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，有源元件控制電源使負(fù)載獲得大信號，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)

工程性實際工程需要證明其可行性。強(qiáng)調(diào)定性分析。實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。實踐性常用電子儀器的使用方法電子電路的測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?；痉治龇椒ǎ翰煌愋偷碾娐酚胁煌男阅苤笜?biāo)和描述方法，因而有不同的分析方法。學(xué)會辯證、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、基本實驗技能具有能夠繼續(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。

會看：讀圖、定性分析會算：定量計算、CAD考察分析問題的能力

會選：電路形式、器件、參數(shù)考察解決問題的能力----設(shè)計能力會調(diào)：測試方法、儀器選用、EDA考察解決問題的能力----實踐能力六、考察方法綜合應(yīng)用所學(xué)知識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娦运摹N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,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，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鍵結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。價電子價電子

價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),同時共價鍵中留下一個空位，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

在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(相當(dāng)于正電荷的移動)?？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，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)動電子電流

(2)價電子遞補(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地產(chǎn)生的同時,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。摻入五價元素多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€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，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，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)動內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動濃度差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)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(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)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動越強(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，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IF內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–U2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場P接負(fù)、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–UPN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場

內(nèi)電場被加強(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，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PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－+–U26四、PN結(jié)的電容效應(yīng)勢壘電容CB：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴(kuò)散電容CD：為了形成正向電流（擴(kuò)散