半导体器件基础教学

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1、前 言,1、电子技术的发展,2、模拟信号与模拟电路,3、模拟电子技术基础课程的特点,4、如何学习这门课程,5、课程的目的,6、考查方法,1、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上,47年 贝尔实验室制成第一只晶体管 58年 集成电路 69年 大规模集成电路 75年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一片集成电路上有40亿个晶体管。科学家预测集成度按10倍/6年的速度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。,学习电子技术基础课程需时刻注视电子技术的发展！,1）信号：是反映消息的物理量,信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。,电信号是指随时间

2、而变化的电压u或电流i ，记作u=f(t) 或i=f(t),2、模拟信号与模拟电路,如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是消息的表现形式。,2）电信号,由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，因而电信号成为应用最为广泛的信号。,2、模拟信号与模拟电路,3）电子电路中信号的分类模拟信号对应任意时间值t均有确定的函数值u或i，并且u或I的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具有连续性。,数字信号在时间和数值上均具有离散性，u或 i 的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义。,大多数物理量

3、所转换成的信号均为模拟信号。,4）模拟电路模拟电路：对模拟量进行处理的电路最基本的处理是放大放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。有源元件：能够控制能量的元件。,2、模拟信号与模拟电路,2、模拟信号与模拟电路,5）模拟电子技术基础课程内容半导体器件处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能：各种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、电源电路模拟电路的分析方法不同的电子电路在电子系统中的作用,3、模拟电子技术基础课程的特点,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

4、算”,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。,3、模拟电子技术基础课程的特点,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,4、如何学习这门课程,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、

5、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。,5、课程目的,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。,6、考查方法,会看：定性分析会算：定量计算,考查分析问题的能力,会选

6、：电路形式、器件、参数,70%卷面成绩+30%平时成绩,电子信息系统,第一章 半导体器件基础1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 半导体三极管1.4 场效应晶体管,本章重点,（1）PN结的单向导电性 （2）半导体二极管的伏安特性及主要参数 （3）稳压二极管的伏安特性及主要参数 （4）半导体三极管的放大原理，输入、输出特性及主要参数 （5）场效应三极管的工作原理，输出特性、转移特性及主要参数,本章讨论的问题,（1）空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？ （2）N型半导体和P型半导体分别是指什么？PN结是怎样形成的？ （3）晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效应管是通过什么

7、方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？,1.1 半导体基础知识,1.1.1 半导体的特性1. 导体：自然界中很容易导电的物质。如铜、银、铝等金属材料。2. 绝缘体：几乎不导电的物质。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。3.半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的一类物质。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体导电性能是由其原子结构决定的。,1.1.1 半导体的特性,硅原子结构 最外层电子称价电子锗原子也是4价元素 (a)硅的原子结构图4价元素的原子常常用+ 4电荷的正离子和周围4个价电子表示。 (b)简化模型,1.1.2 本征半导体,1. 定义：完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半

8、导体称为本征半导体。2. 晶体结构,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,共价键,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,1.1.2 本征半导体,3. 本征半导体的两种载流子：自由电子和空穴,当温度T = 0K时，半导体不导电，如同绝缘体。 若T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,1.1.2 本征半导体,4. 本征浓度-载流子的“产生”与“复合”产生：本征半导体受外界能量激发，产生电子空穴对。复合：电子和空穴在无规则热运动过程中相遇而相互填补，使电子和空穴成对消失。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一 定；温度

9、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。,1.1.2 本征半导体,5. 动态平衡-载流子的“产生”与“复合”达到平衡。自由电子与空穴的浓度一定。,动态平衡：它们与温度 的关系：,1.1.2 本征半导体,本征半导体存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。电子与空穴电荷量相等，极性相反。,本征半导体的导电机理 总结,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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。,1.1.3 杂质半导体,1、 N型半导体（1） 定义：在硅或锗的晶体中掺入少量的 5

10、 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。（2） 原子结构,多数载流子,电子比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,磷（P）,1.1.3 杂质半导体,（3） N型半导体中的“多子” -电子和“少子”空穴因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度自由电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,1.1.3 杂质半导体,（4） “施主”离子提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体呈电中

11、性,1.1.3 杂质半导体,2. P型半导体（1） 定义：在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。（2） 原子结构,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,硼（B）,多数载 流子,1.1.3 杂质半导体,（3） P型半导体中的“多子”和“少子”因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。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，由热激发形成。（4） “受主”离子在P型半导体中， 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。P型半导体呈电中性,1.1.3 杂质半导体,（5）

12、结构示意图,1.1.4 PN结,1.1.4.1 PN结的形成1. 载流子的两种运动-漂移和扩散漂移运动：载流子在电场作用下作定向运动，这种运动叫“漂移”。由此引起的电流叫“漂移电流”。扩散运动：在电中性的半导体中，当同一种载流子浓度有差别时，载流子将从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动叫“扩散运动”，由此引起的电流叫“扩散电流”。,1.1.4.1 PN结的形成,2. PN结的形成（1） 在同一片半导体基片上，分别制造P型半导 体和N型半导体，经过载流子的扩散和漂移，在它们的交界面处就形成了PN结。,内电场,1.1.4.1 PN结的形成,（2）扩散运动,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电

13、子浓度远高于P区。,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。,1.1.4.1 PN结的形成,（3）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。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,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。,1.1.4.1 PN结的形成,（4）空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间存在:a)电位差 Uho 电位壁垒；b)内电场阻挡层: 阻止多子的扩散 ;有利于少子运动漂移。耗尽

14、层：n和p均下降。（5）扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强；随着内电场增强，漂移运动增强，阻止多子的扩散；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,1.1.4.2 PN结的单向导电性,1. PN结外加正向电压导通,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。,1.1.4.2 PN结的单向导电性,2. PN结外加反向电压截止,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。,1.1.4

15、.3 PN结的性质,1. PN结的电流方程PN结所加端电压u与电流i的关系为：,1.1.4.3 PN结的性质,2. PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿：齐纳击穿 雪崩击穿,电击穿-可逆,1.1.4.4 PN结的电容效应,PN结外加电压变化时，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。,1、势垒电容,势垒电容的大小可用下式表示：,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 CB = f (U) 曲线如图示。,：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。,1.1.4.4

16、 PN结的电容效应,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。,2、扩散电容,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x = 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。CD =I/UT -非平衡少子在被复合前的平均寿命,1.1.4.4 PN结的电容效应,3. PN结的结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容 起主要作用，即可以认为 CJ CD；,当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 CJ CB。,CB 和 CD 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,