1模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行_PPT课件_第一章1
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！
电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展 上。从电子管→半导体管→集成电路
1904年 电子管问世
1947年 晶体管诞生
1958年集成电 路研制成功
电子管、晶体管、集成电路比较
值得纪念的几位科学家！
第一只晶体管的发明者
（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）
(3)杂质半导体总体上保持电中性。
(4)杂质半导体的表示方法:
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
图 6 杂质半导体的的简化表示法
1.2 半导体二极管
一、PN结及单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另
一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了
一个特殊的薄层，称为 PN 结。
二、本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结 构的半导体。
将硅或锗材
+4
+4
+4
料提纯便形成单
价
晶体，它的原子
共
结构为共价键结
价 键
+4
+4
电
+4
子
构。
当 温 度 T=0K 时 ， 半 导 体
不导电，如同绝缘体。
+4
+4
+4
图 2 单晶体中的共价键结构
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。
外电场使空间电荷区变宽；
不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；
由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。
P
空间电荷区
N
IS
内电场方向
外电场方向
V
R
图4 反相偏置的 PN 结
模拟电子技术基础
一、电子技术的发展
• 1947年 • 1958年 • 1969年 • 1975年
贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路
第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路 中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年 的速度增长，到2015或2020年达到饱和。
又称正向偏置，简称正偏。
P
空间电荷区
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。
N
I 内电场方向
外电场方向
V
R
图3 正向偏置PN结
在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的 正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。
（2） PN 结外加反向电压(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用；
自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。
空穴可看成带正电的载 流子。
T
+4
+4
空穴
+4
+4
+4
自由电子 +4
+4
+4
+4
图3 本征半导体中的 自由电子和空穴
1. 本征半导体中两种载流 子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出
现，称为 电子 - 空穴对。
2、 P 型半导体
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。
+4
+4
+4
空穴
+4
+43 受主 +4
原子
+4
+4
+4
图 5 P 型半导体的晶体结构
说明：
(1)掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。
(2)杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。
（3）扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 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。
空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米；
2、 PN 结的单向导电性
（1）PN外加正向电压
他们在1947年11月底发明了晶 体管，并在12月16日正式宣布“晶 体管”诞生。1956年获诺贝尔物理 学奖。巴丁所做的超导研究于1972 年第二次获得诺贝尔物理学奖。
第一个集成电路及其发明者
（ Jack Kilby from TI ）
1958年9月12日，在德州仪器公司 的实验室里，实现了把电子器件集成 在一块半导体材料上的构想。42年以 后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等。
4. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度 的升高，基本按指数规律增加。
三、杂质半导体
杂质半导体有两种 1、 N 型半导体
N 型半导体 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 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)。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
+4
图 4 N 型半导体的晶体结构
本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的 某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层 有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多 余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可 成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度 。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)。
二、模拟信号与模拟电路
1、模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。
任何瞬间的任何 值均是有意义的
2. Hale Waihona Puke Baidu拟电路
➢ 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。
➢ 最基本的处理是对信号的放大。
➢ 其它模拟电路多以放大电路为基础。
第一章 半导体器件
1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管(BJT)
1.1 半导体的特性
一、半导体特性
1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物 质。 常见半导体材料：硅(Si)、锗(Ge)
半导体导电性能是由其原子结构决定的。
硅原子结构 最外层电子称价电子
价电子
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。
(a)硅的原子结构图 +4
(b)简化模型 图 1 硅原子结构
P
PN结
N
图 1 PN 结的形成
1、 PN 结中载流子的运动
（1）扩散运动
P
N
电子和空穴
浓度差形成多数
载流子的扩散运
动。
扩散运动形 成空间电荷区
耗尽层
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
图 2（a） 多数载流子的扩散运动
（2）漂移运动
内电场有利于少子运动—漂移。
阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 图2(b) 少子漂移运动
电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展 上。从电子管→半导体管→集成电路
1904年 电子管问世
1947年 晶体管诞生
1958年集成电 路研制成功
电子管、晶体管、集成电路比较
值得纪念的几位科学家！
第一只晶体管的发明者
（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）
(3)杂质半导体总体上保持电中性。
(4)杂质半导体的表示方法:
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
图 6 杂质半导体的的简化表示法
1.2 半导体二极管
一、PN结及单向导电性
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另
一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了
一个特殊的薄层，称为 PN 结。
二、本征半导体
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结 构的半导体。
将硅或锗材
+4
+4
+4
料提纯便形成单
价
晶体，它的原子
共
结构为共价键结
价 键
+4
+4
电
+4
子
构。
当 温 度 T=0K 时 ， 半 导 体
不导电，如同绝缘体。
+4
+4
+4
图 2 单晶体中的共价键结构
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。
外电场使空间电荷区变宽；
不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；
由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。
P
空间电荷区
N
IS
内电场方向
外电场方向
V
R
图4 反相偏置的 PN 结
模拟电子技术基础
一、电子技术的发展
• 1947年 • 1958年 • 1969年 • 1975年
贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路
第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路 中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年 的速度增长，到2015或2020年达到饱和。
又称正向偏置，简称正偏。
P
空间电荷区
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。
N
I 内电场方向
外电场方向
V
R
图3 正向偏置PN结
在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的 正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。
（2） PN 结外加反向电压(反偏) 反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内 电场的作用；
自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。
空穴可看成带正电的载 流子。
T
+4
+4
空穴
+4
+4
+4
自由电子 +4
+4
+4
+4
图3 本征半导体中的 自由电子和空穴
1. 本征半导体中两种载流 子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出
现，称为 电子 - 空穴对。
2、 P 型半导体
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。
+4
+4
+4
空穴
+4
+43 受主 +4
原子
+4
+4
+4
图 5 P 型半导体的晶体结构
说明：
(1)掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。
(2)杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。
（3）扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 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。
空间电荷区的宽度约为几微米 ~ 几十微米；
2、 PN 结的单向导电性
（1）PN外加正向电压
他们在1947年11月底发明了晶 体管，并在12月16日正式宣布“晶 体管”诞生。1956年获诺贝尔物理 学奖。巴丁所做的超导研究于1972 年第二次获得诺贝尔物理学奖。
第一个集成电路及其发明者
（ Jack Kilby from TI ）
1958年9月12日，在德州仪器公司 的实验室里，实现了把电子器件集成 在一块半导体材料上的构想。42年以 后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等。
4. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度 的升高，基本按指数规律增加。
三、杂质半导体
杂质半导体有两种 1、 N 型半导体
N 型半导体 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 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)。
+4
+4
+4
自由电子
+4
+45
+4
施主原子
+4
+4
+4
图 4 N 型半导体的晶体结构
本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的 某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层 有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多 余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可 成为自由电子。
自由电子浓度远大于空穴的浓度 。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)。
二、模拟信号与模拟电路
1、模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。
任何瞬间的任何 值均是有意义的
2. Hale Waihona Puke Baidu拟电路
➢ 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。
➢ 最基本的处理是对信号的放大。
➢ 其它模拟电路多以放大电路为基础。
第一章 半导体器件
1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管(BJT)
1.1 半导体的特性
一、半导体特性
1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物 质。 常见半导体材料：硅(Si)、锗(Ge)
半导体导电性能是由其原子结构决定的。
硅原子结构 最外层电子称价电子
价电子
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。
(a)硅的原子结构图 +4
(b)简化模型 图 1 硅原子结构
P
PN结
N
图 1 PN 结的形成
1、 PN 结中载流子的运动
（1）扩散运动
P
N
电子和空穴
浓度差形成多数
载流子的扩散运
动。
扩散运动形 成空间电荷区
耗尽层
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
图 2（a） 多数载流子的扩散运动
（2）漂移运动
内电场有利于少子运动—漂移。
阻挡层
P
空间电荷区
N
内电场 图2(b) 少子漂移运动