半导体基础知识.描述

前言1.本课程的性质本课程是入门性质的技术基础课。2.本课程的特点1)工程性实际工程需要证明其可行性强调定性分析实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。电子电路的定量分析称为“估算”武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础近似分析要“合理”抓主要矛盾和矛盾的主要方面电子电路归根结底是电路估算不同的参数需采用不同的模型，可用电路的基本理论分析电子电路。2)实践性：实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法：常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除EDA软件的应用武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础3.电子系统及教学内容安排传感器接收器隔离、滤波放大、阻抗变换运算、转换、比较功率放大武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础1）半导体基础知识2）半导体基本元件3）基本放大电路4）组合放大电路5）模拟集成电路6）负反馈放大电路7）信号处理电路8）信号产生电路9）直流稳压电源4.学习方法1)掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。2)学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路，要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。3)注意电路中常用定理在电子电路中的应用。武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础1)掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验技能2)具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。本课程通过对常用电子器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。5.学习目的武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础1、会看：定性分析2、会算：定量计算考查分析问题的能力3、会选：电路形式、器件、参数4、会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA考查解决问题的能力－－设计能力考查解决问题的能力－－实践能力综合应用所学知识的能力6.考查方法武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础平时：作业10%考勤10%期中测验10%考试：70%辅导博士：康华光主编，《电子技术基础》模拟部分；第六版，高教出版社童诗白主编，《模拟电子技术基础》第四版，高教出版社7.成绩评定8.参考书武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础QQ群号：3208959514、5、6班1、2、3班1半导体基础知识1.1半导体1.2PN结的单向导电性教学基本要求：1、何为半导体？半导体有什么特点？2、何为PN结？PN结的单向导电性是如何实现的？这一特性有几种描述方法？3、半导体导电能力是否可控？有几种实现方法？武汉大学电气工程学院YTZ1.3半导体导电的可控性模拟电子技术基础1.1半导体1.何为半导体？就是导电能力介于导体和绝缘体之间的某个物体称为半导体。导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度才可能导电。半导体－－硅14（Si）、锗32（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础硅、锗的原子结构模型原子结构简化模型在外电场作用下，物体中能够移动的自由电子越多导电能力越强；移动中所受阻力越小导电能力越强。自由电子的多少与电子层数和最外层电子数有关，从硅和锗的原子结构看，锗材料的导电性比硅强，硅的不导电性比锗材料好。无杂质稳定的结构本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这一过程称热激发。自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴共价键自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础2.本征半导体电子空穴对是随机出现的，其位置不固定。运载电荷的粒子称为载流子。本征半导体中的两种载流子武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础本征半导体中的自由电子浓度ni和空穴浓度pi总是相等的ni=pi一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。由于室温下，3.42×1012个硅原子中才有一个电子空穴对，载流子数目很少，本征半导体基本不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？本征半导体中的两种载流子武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。总电流？绝对温度0K时，本征半导体不导电。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，不导电性变差。5磷（P）施主杂质N型杂质半导体主要靠多子自由电子导电。掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。多数载流子在N型杂质半导体中，空穴的数目比未加杂质时的数目多了？少了？N型半导体武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础施主原子浓度ND，少数载流子浓度p，则多数载流子的浓度n=p+ND杂质半导体的导电能力具有可控性。---改变掺杂浓度3.杂质半导体3硼（B）受主杂质多数载流子P型半导体主要靠多子空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子和多子浓度的变化相同吗？P型半导体武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础受主原子浓度NA，少数载流子浓度n，则多数载流子的浓度p=n+NAp×n=pi×ni=pi2=ni2掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础1.2PN结的单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础1.PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴向P区、自由电子向N区运动。1.PN结的形成武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础内电场、势垒区、耗尽层扩散形成的电流称扩散电流，漂移形成的电流称漂移电流。在PN结形成过程中，扩散电流、漂移电流是如何变化的？参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。1.PN结的形成武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础耗尽层的导电能力？用电阻怎么描述？温度变化、掺杂浓度不同、材料不同对PN结厚度有什么影响？2.PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础使PN结变窄的偏置称正向偏置，对应的偏置电压、电流称正向电压和正向电流。正向偏置时，扩散电流大于漂移电流，二者之差就是正向电流IF。PN结加正向电压时的导电情况武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础PN结导通用电阻怎么描述？正向电压升高电阻如何变化？PN结的正向特性性PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结加反向电压时的导电情况武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础PN结的反向特性性武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础PN结的反向特性反向偏置时，扩散电流小于漂移电流，二者之差就是反向电流IR。PN结截止用电阻怎么描述？反向电压升高电阻如何变化？PN结在正、反向电压相同的条件下，反向电流为什么比正向电流小很多？武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础PN结方程及伏安特性曲线)1(T/SUueIi据相关文献的理论分析，PN结上的外加电压u和电流i之间的关系可表达为IS为反向饱和电流，UT=kT/q称为温度的电压当量，其中k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。若反向电压u＜＜UT，则iIS，负号表示为反向电流。若正向电压u＞＞UT，电流i随电压u按指数规律变化。T/SUueIiPN结还可用伏安特性曲线来描述：UBR称为反向击穿电压3.PN结的反向击穿当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。雪崩击穿齐纳击穿电击穿武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础掺杂浓度高，耗尽层易形成强电场。在不太大的外加电压作用下，能把价电子从共价键中“拉出来”，产生电子空穴对，引起电流急剧增加。该击穿称为齐纳击穿。大的外加电压，会形成较宽的耗尽层。漂移的少子在获得足够的能量后，撞击共价键，产生电子空穴对，引起电流急剧增加。该击穿称为雪崩击穿。何为热击穿？何为可逆击穿？4.PN结的电容效应武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础1）势垒电容PN结外加反向电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容为势垒电容Cb。2）扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容为扩散电容Cd。结电容对PN结的单向导电有何影响？1.3半导体导电的可控性杂质半导体的导电能力不仅能用掺杂浓度来调节，也可用两个PN结来对其进行控制。1.3.1耗尽型导电沟道武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础基本原理：利用PN结消耗导电沟道里的多数载流子，进而实现对导电能力的控制。N型导电沟道1.3.1耗尽型导电沟道1.导电沟道的开关特性武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础N型导电沟道V1为控制回路的控制电源，V2为受控回路的工作电源。当V1=0时，初始导电沟道最宽、沟道阻值最小，沟道导通，此时沟道能流过的最大电流为饱和电流。当V1UOFF夹断电压时，两PN结重合，初始导电沟道为零、沟道阻值近似无穷大，沟道截止，此时沟道能流过的电流近似为零。导通截止2.导电沟道的自闭性导电沟道不仅受V1控制，还受V2影响。为确保导电沟道可控，PN结应正向偏置，故V2应为正电源。武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础变化中的导电沟道V1=0初始导电沟道最宽，随着V2和IN的增加，会在导电沟道上形成上高下低的电位梯度分布，即PN结的反偏电压上大下小，使得PN结上宽下窄。当V2＞|UOFF|时，夹断区延长，直流电阻继续增加。但IN=INS不再增大。微变电阻rN=V2/IN=。当V2=|UOFF|时，顶部沟道夹断，IN达到达到饱和值。V1不为0，沟道会怎么变？0＞V1＞UOFF，V2=V1－UOFF时沟道开始夹断，夹断后的饱和电流IN也是介于零到饱和最大电流INS之间。大小与V1有直接关系武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础夹断前，IN电流的大小和控制电压大小有关，和工作电压大小也有关。3.受控制电流表达式夹断后，IN电流的大小只和控制电压大小有关，和工作电压大小基本无关。0＞V1＞UOFF，V2=V1－UOFF时沟道开始夹断，夹断后的饱和电流IN也是介于零到饱和最大电流INS之间。大小与V1有直接关系武汉大学电气工程学院YTZ模拟电子技术基础Kn为N沟道导电常