半导体基础知识入门学习.ppt

模拟电子技术基础,目 录,第一章 常用半导体器件,第二章 基本放大电路,第三章 多级放大电路,第四章 集成运算放大电路,第五章 放大电路的频率响应,第六章 放大电路中的反馈,第七章 信号的运算和处理,第八章 信号的发生和信号的转换,第九章 功率放大电路,第十章 直流电源,管,路,信号单方向传输,信号双向传输,小信号放大电路,大信号,微变等效法,图解分析法,单级放大电路,多级放大电路,分立元件电路,提供能源的电路,信号源,0 导言,0.1 电信号 0.2 电子信息系统 0.3 电子技术的课程体系,0.1 电信号,声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可以用信号波形来表示。 电子系统处理的是电信号，它由相应的物理量通过传感器转换而得到。,信号：信息的载体,是研究电子器件、电子电路及其应用的,电子技术,模拟电子技术：,数字电子技术：,研究模拟信号,研究数字信号,模拟信号：在时间上和幅值上都是连续变化的信号,数字信号：在时间上和幅值上都是离散的信号,（模拟信号）,（数字信号）,（数值 的变化总是发生在一系列离散的瞬间；,电子技术：,数值的大小及增减总是某一个最小单位的整数倍。）,科学技术。,返回,0.2 电子信息系统,返回,0.3 电子技术的课程体系,模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技术基础课程，对于继续学习有关专业课程有着重要的影响。,理论基础：电路理论 同步课程：数字电子技术 后续课程：微机原理等,返回,1 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件,本章要求,掌握：二极管、三极管的外特性及主要参数的 物理意义 理解：PN结 、二极管的单向导电性、稳压管的稳压作用 及三极管的放大作用 了解：二极管、三极管的选用原则,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结,1.典型的半导体材料 元素 硅（Si）、锗（Ge） 化合物 砷化镓（GaAs） 掺杂元素或化合物 硼（B）、磷（P）,半导体,半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。,2.导体、绝缘体和半导体的划分 根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。 导体 绝缘体,导电能力用电阻率(或电导率）来描述： 导体 10-4cm 绝缘体109cm,4. 半导体的共价键结构,硅的原子结构,硅 14 1s2，2s2，2p6，3s2，3p2 锗 32 1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10， 4s2，4p2,1. 本征半导体,(导体 10-4cm ,半导体,常见材料 硅(Si) 锗(Ge),1.1.1 Ge和Si原子的简化模型,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,绝缘体 109cm),10-4cm 109cm,1.1.1 本征半导体,2. 本征半导体晶体结构,图1.1.2 本征半导体晶体结构示意图,共价键结合力强,本征半导体导力弱,晶体中原子的排列方式,3. 本征半导体中的两种载流子,热力学零度 （T=0K）,半导体中没有自由电子,相当于绝缘体。本征半导体不导电。,常温（T=300K）,热激发（本征激发）：,共价键中的价电子,能量,自由电子,空穴,+,(+),(-),在电场的作用下,空穴运动：,价电子填补空穴的运动,晶体共价键结构平面示意图,图1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子,当温度升高或受到光的照射时(T 0K)，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，由价带进入导带，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,图1.1.4 自由电子进入空穴产生复合运动,复合：,自由电子和空穴相遇,温度T一定,ni（自由电子浓度）,T,=pi(空穴浓度）,ni =pi,半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。在外电场作用下，空穴可以自由在晶体中运动，从而和自由电子一样可以参加导电，载流子为自由电子和空穴，载流子越多，导电能力越强，但不如导体。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中人为掺入微量的杂质，称为杂质半导体。 掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。,半导体的掺杂,在硅（锗）单晶中掺入少量三价元素（硼），则三价元素原子在晶格中缺少一个价电子，从而产生一个空穴。 空穴原因：掺杂（90以上）本征激发（空穴、自由电子）,2. 三价元素掺杂P(空穴) 型半导体,这一现象称为受主电离。,空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在 邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。 空位俘获电子后，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。 负离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，它仍由热激发形成。,3. 五价元素掺杂N(电子) 型半导体,在硅（锗）单晶中掺入少量五价元素(磷)，则五价元素原子在晶格中多余一个价电子。 1000个自由电子掺杂900个本征激发100个（100个空穴）,在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。,杂质半导体的示意表示法：,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,N型半导体,P型半导体,自由电子（掺杂形成）,多子,空穴（掺杂形成）,空穴（热激发形成）,自由电子（热激发形成）,少子,呈电中性,综上所述：,4.载流子的产生与复合 产生：价电子获得额外的能量（激发能），从价带跃迁到导带，而产生载流子的过程。 产生的形式：本征激发（电子空穴对）、施主电离、受主电离。 复合：自由电子与空穴相遇，重新填入共价键中空穴的过程，复合使自由电子和空穴成对地消失。复合与产生是半导体的一对矛盾，在一定温度下，二者处于一定的动态平衡中。,在一块完整的本征硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺一边形成N型半导体，一边形成P型半导体。在这两种半导体交界面附近形成的一个特殊性质的薄层，称为PN结。,1.1.3 PN结,1. PN结的形成,漂移运动：在电场作用下，载流子的运动。漂移电流,扩散运动：同类载流子由于浓度差引起的运动。扩散电流,少子的漂移运动,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区,P(N)区中同类载流子浓度差,多子的扩散,产生空间电荷区（内电场）,促进少子漂移,扩散与漂移运动达到 态平衡时，PN结形成,阻止,PN结的形成过程,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 (0.5m0.75mm) , 也称耗尽层,阻挡层,势垒区,内电场区,离子区。,因浓度差,空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。平衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，所以无外加电场或其他激发因素时， PN 结中没有电流。,多子的扩散运动 ,由杂质离子形成空间电荷区 ,小 结,考虑外加电压于PN结上，根据外加电压的极性有两种情况,PN结加正向偏置电压（正偏）：,PN结加正向电压时的导电情况,2 PN结的特点,P 区接电源正极,PN结加反向电压时的导电情况,由于在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,N 区接电源正极,2 PN结加反向偏置电压（反偏）：,PN结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻； PN结导通 PN结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。 PN结截止 PN结具有单向导电性。,结论,3 PN结V- I 特性（伏安特性）表达式,习惯: P(+),N(-)为参考方向,门坎电压(死区电压Vth)：导通、未导通的分界； 导通条件：V Vth；(与材料有关,Si :0.5V,Ge:0.1V) 导通后特征(Si)：0.60.8V,约0.7V左右(具体由实测或计算机仿真); 截止条件: V Vth; (对内电场克服不够) 截止后特征:电流几乎为0。,其中:,IS 反向饱和电流。反向截止的少子电流，越小越好，与温度变化有关,VT 温度的电压当量,常温下（T=300K）：,vDPN结外加电压,可推知：PN结加正压，VD0.7V， PN结加反压，VD为负值，若 比 大几倍时, 。可见,反向电流是个常数 ，不随外加反向电压的大小而变动。,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,4 PN结的反向击穿,1).PN结的反向击穿现象,2) . 击穿的物理本质,（1）雪崩击穿：碰撞电离 （2）齐纳击穿：场致激发 （3）热击穿： PN结过热,电击穿,齐纳击穿：,雪崩击穿：,热击穿,具有可逆性,具有破坏性,图1.1.10 PN结的伏安特性,正向特性：,反向特性