第一講緒論與半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

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

電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)。一、電子技術(shù)的發(fā)展簡史現(xiàn)在的世界，電子技術(shù)無處不在電子技術(shù)的應(yīng)用一、電子技術(shù)的發(fā)展簡史1906年，電子管的發(fā)明拉開了現(xiàn)代電子學(xué)的序幕，它的誕生為通訊、廣播、電視等技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，計(jì)算機(jī)的歷史也由此跨入新紀(jì)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(shù)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(jì)元。不久的將來，量子器件和以分子（原子）為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)將成為集成電路技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。智能計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物芯片、微機(jī)電系統(tǒng)將離我們的現(xiàn)實(shí)生活不遠(yuǎn)。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(yù)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(yù)言當(dāng)時聽起來象是科幻小說，但是令人驚奇的是該預(yù)言竟然40多年來一直有效而準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)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(shù)給社會帶來了翻天覆地的變化。二、模擬與數(shù)字的關(guān)系－－“為什么要學(xué)”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(shí)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(gòu)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(shí)地執(zhí)行著將現(xiàn)實(shí)世界中的聲、光、電、力等模擬信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為能夠被現(xiàn)實(shí)世界中的用戶接受和理解的模擬信號。

21世紀(jì)信息化時代的今天，人們進(jìn)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(fèi)產(chǎn)品不斷沖擊著業(yè)界的神經(jīng)和消費(fèi)者的眼球。于是有人產(chǎn)生了“模擬技術(shù)遲早會被數(shù)字技術(shù)取代”的錯誤認(rèn)知。三、課程的特點(diǎn)－－“怎么學(xué)”1、課程特點(diǎn)：工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)

（1）實(shí)際工程需要證明其可行性，強(qiáng)調(diào)定性分析。（2）實(shí)際工程在滿足基本性能指標(biāo)的前提下總是容許

存在一定的誤差范圍，定量分析為“近似估算”。（3）注重實(shí)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(yīng)用方法。2、怎么學(xué)(1)重點(diǎn)掌握“基本概念”、“基本電路”和“基本分析方法”(2)學(xué)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(yīng)用。四、課程的考查方式－－“怎么考”1、會看：讀圖、定性分析

學(xué)完本課程要達(dá)成什么目標(biāo)？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(diào)：儀器使用、測試方法、故障診斷、EDA解決問題的能力綜合應(yīng)用所學(xué)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(shù)基礎(chǔ)—模擬部分（第四版）．

高等教育出版社，20062、楊素行．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）．

高等教育出版社，20063、華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）．

高等教育出版社，20064、華成英.幫你學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)--釋疑.解題.考試.

高等教育出版社，20045、陳大欽等．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與解題指南．

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

第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管學(xué)時數(shù)：8內(nèi)容框架：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能PN結(jié)的形成及基本特性二極管穩(wěn)壓管雙極型三極管場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)特性電路模型應(yīng)用電路工作特點(diǎn)應(yīng)用結(jié)構(gòu)工作原理特性曲線電路模型結(jié)構(gòu)工作原理特性曲線電路模型重點(diǎn)和難點(diǎn)：1、二極管的特性及應(yīng)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(dǎo)體基礎(chǔ)知識

相關(guān)概念：

本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)；N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體；多子、少子；擴(kuò)散電流、漂移電流

半導(dǎo)體材料

本征半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體

半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動

主要內(nèi)容：1、什么叫半導(dǎo)體——導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體材料為硅、鍺。一、半導(dǎo)體材料導(dǎo)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(zhì)（如橡膠），其最外層電子原子核的束縛力很強(qiáng)，很難成為自由電子，導(dǎo)電性極差。半導(dǎo)體：常用的半導(dǎo)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(dǎo)體和絕緣體之間，因而其到點(diǎn)性能也介于這兩者之間。2、半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)（1）摻雜性：摻入微量的雜質(zhì)可使其電阻率大大降低。（2）熱敏性：一些半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的上升而明顯下降。（3）光敏性：一些半導(dǎo)體的電阻率隨光照的增強(qiáng)而明顯下降。二、本征半導(dǎo)體——純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體材料純度要達(dá)到99.9999999%1、本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)+4慣性核價電子+14Si+32Ge簡化的原子結(jié)構(gòu)模型半導(dǎo)體的原子間以共價鍵結(jié)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(gòu)成一種非常穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。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(dǎo)體不能導(dǎo)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(yùn)動過程中有可能與空穴相遇而復(fù)合。在一定的溫度下，自由電子和空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)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(yùn)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(dǎo)體中的兩種載流子載流子－－運(yùn)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(yùn)動方向與電

場方向相反，是一種帶負(fù)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(bǔ)空穴，相當(dāng)于空穴在晶體中移動，由于空穴的運(yùn)動方向與電子的運(yùn)動方向相反，所以空穴是一種帶正電荷的載流子。結(jié)論：①常溫下本征半導(dǎo)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(yùn)動方向相反，外部電流是兩種

運(yùn)動的疊加。③本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度密

切相關(guān)，在一般的溫度下條件，

導(dǎo)電性極差。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體—在本征半導(dǎo)體中人為摻入特定雜質(zhì)而形成1、N型半導(dǎo)體（電子型Negative）雜質(zhì)原子提供多余電子(施主雜質(zhì))自由電子(濃度大)用擴(kuò)散工藝將本征半導(dǎo)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(dǎo)體中電子濃度大，主要靠電子導(dǎo)電，稱為電子型半導(dǎo)體。＋5＋5問題：空穴比未加雜質(zhì)時多了？還是少了？為什么？結(jié)論：（1）N型半導(dǎo)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(zhì)濃度。（2）N型半導(dǎo)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(kuò)散工藝將本征半導(dǎo)體中的某些硅原子用3價元素(B)代替。2、P型半導(dǎo)體（空穴型Positive）雜質(zhì)原子產(chǎn)生空穴(濃度大）(受主雜質(zhì))多子自由電子(濃度低）空穴本征激發(fā)少子P型半導(dǎo)體中多子是空穴，主要靠空穴導(dǎo)電，稱為空穴型半導(dǎo)體。結(jié)論：（1）P型半導(dǎo)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(zhì)濃度。（2）P型半導(dǎo)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(yuǎn)大于本征少子濃度，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體的多子濃度等于摻雜濃度，而少子濃度與本征濃度有關(guān)，隨著溫度的增加而增加3、雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。（2）多子的濃度近似等于摻雜的濃度，摻入的雜質(zhì)越多，

多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(dǎo)體溫度穩(wěn)定性的主要因素。四、載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動1、漂移運(yùn)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(xiàn)是疊加的。電場作用電子沿電場的反方向運(yùn)動空穴沿電場方向運(yùn)動載流子的漂移運(yùn)動漂移電流2、擴(kuò)散運(yùn)動和擴(kuò)散電流X光照載流子濃度差擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流是半導(dǎo)體中載流子的一種特殊運(yùn)動形式，是由于載流子的濃度差引起的，擴(kuò)散運(yùn)動總是從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域進(jìn)行。結(jié)論：半導(dǎo)體中的載流子存在兩種運(yùn)動形式，一是電位差即

電場產(chǎn)生的漂移運(yùn)動，二是濃度差產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動：物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動?！?-2PN結(jié)原理

相關(guān)概念：

空間電荷區(qū)、

勢壘、

正偏、反偏

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的電容效應(yīng)

主要內(nèi)容：

勢壘電容、擴(kuò)散電容反向飽和電流、

在一塊半導(dǎo)體基片上，通過擴(kuò)散工藝，將半導(dǎo)體的一側(cè)摻成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻成N型半導(dǎo)體，在兩者的交界面處將會形成一個“PN結(jié)”，PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)單元。PN

一、PN結(jié)的形成P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于N區(qū)N區(qū)電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P區(qū)PN1、多子的擴(kuò)散運(yùn)動PN

在N型和P型半導(dǎo)體的界面兩側(cè)，電子和空穴的濃度相差

懸殊，導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散在N區(qū)留下正離子P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散在P區(qū)留下負(fù)離子伴隨著擴(kuò)散和復(fù)合運(yùn)動的進(jìn)行，在P、N型半導(dǎo)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(nèi)建電場與少子的漂移運(yùn)動內(nèi)建電場：E由N區(qū)指向P區(qū)內(nèi)建電場促使少子的漂移運(yùn)動多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)寬度E促進(jìn)少子漂移阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動（阻擋層）3、擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的PN結(jié)在無外電場和其他激發(fā)作用下，參與擴(kuò)散運(yùn)動的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動的少子數(shù)目，從而達(dá)到動態(tài)平衡。結(jié)果：PN結(jié)中總電流為0?？臻g電荷區(qū)寬度穩(wěn)定，形成PN結(jié)。PN阻止多子擴(kuò)散4、PN結(jié)的接觸電位差（內(nèi)建電位差）電位電子勢能空間電荷區(qū)內(nèi)的P區(qū)帶負(fù)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(fù)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(dá)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(jié)＝空間電荷區(qū)＝耗盡層＝阻擋層＝勢壘區(qū)EPN二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、什么叫偏置PN結(jié)正向偏置：P區(qū)接高電位；N區(qū)接低電位PN結(jié)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(dǎo)體器件上所加的直流電壓或電流。2、正向偏置的PN結(jié)正向偏置外電場削

弱內(nèi)電場勢壘

降低阻擋層變窄漂移電流↓擴(kuò)散電流↑擴(kuò)散電流的全過程：電子由電源負(fù)極N區(qū)PN結(jié)P區(qū)與P區(qū)空穴復(fù)合E正偏電壓PN結(jié)內(nèi)的電場IDP區(qū)空穴由電源正極提供正偏時，PN結(jié)導(dǎo)通，產(chǎn)生隨正向電壓增大而增大的正向電流。形成較大擴(kuò)散電流ID。ID3、反向偏置的PN結(jié)反向偏置外電場與內(nèi)電場方向一致勢壘

提高阻擋層變寬漂移占優(yōu)勢擴(kuò)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(dá)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(dāng)忽略IR不計(jì)時，可認(rèn)為PN結(jié)是截止的。反偏時，PN結(jié)截止，具有很小的反向漂移電流。4、結(jié)論：①PN結(jié)正偏時，呈現(xiàn)低阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流。②PN結(jié)反偏時，呈現(xiàn)高阻，具有很小的反向漂移電流。③PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。EIR勢壘電容示意圖UD1、勢壘電容CT當(dāng)PN結(jié)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+