半导体基础知识.描述

模拟电子技术基础
本征半导体中的两种载流子
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。 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。
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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
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
1.3.1 耗尽型导电沟道
1. 导电沟道的开关特性
N型导电沟道
当V1=0时，初始导电沟道最宽、 导通 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。 V1为控制回路的控制电源，
V2为受控回路的工作电源。
当V1<UOFF 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。
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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？
PN结截止用电阻怎么描述？反向电压升高电阻如何变化？
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PN结方程及伏安特性曲线
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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。
PN结的单向导电性
1. PN结的形成
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。
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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。
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1. PN结的形成
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。 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？
齐纳击穿
电击穿
何为热击穿？何为可逆击穿？
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4. PN结的电容效应
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？
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2. 导电沟道的自闭性
变化中的导电沟道
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。 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。
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为什么要将半导体变成导 电性很差的本征半导体？
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3. 杂质半导体
N型半导体
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 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。 杂质半导体的导电能力具有 可控性。---改变掺杂浓度
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6. 考查方法
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 考查解决问题的能力－－设计能力
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－－实践能力
综合应用所学知识的能力
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PN结的正向特性性
PN结加正向电压时的导电情况
PN结导通用电阻怎么描述？正向电压升高电阻如何变化？
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PN结的反向特性性
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
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。 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。
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5
磷（P）
施主杂质
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？ 武汉大学 电气工程学院YTZ
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P型半导体
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 + NA 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，
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因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。
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1. PN结的形成
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。
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？
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5. 学习目的
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。 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。 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。
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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
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。
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本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 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 电子空穴对是随机出现的， 其位置不固定。
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。 武汉大学 电气工程学院YTZ
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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
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
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i ISeu /UT
电流 i 随电压 u 按
若反向电压u ＜＜ UT ，则 i IS，负号表示为反 向电流。 PN结还可用伏安特性曲线来描述： UBR称为反向击穿电压 武汉大学 电气工程学院YTZ
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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。 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。 雪崩击穿
1
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
n=5×1016/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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1.2
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？
3
硼（B）
受主杂质
多数载流子
p×n = pi ×ni = pi2 = ni 2
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杂质对半导体导电性的影响
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:
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7. 成绩评定
平时： 考试： 作业 10% 70% 考勤 10% 辅导博士：
4、 5、 6班 1、 2、 3班
期中测验 10 %
8. 参考书
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 QQ群号：320895951
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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。
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2. 本征半导体
无杂质
稳定的结构
本征半导体是纯净，晶体结构的半导体。 共价键 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 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
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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 u /U
i I S (e
T
1)
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=300 K），则有UT=26 mV。 若正向电压u ＞＞ UT ， 指数规律变化。
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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。
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”
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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
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1 半导体基础知识
1.1 半导体 1.2 PN结的单向导电性 1.3 半导体导电的可控性
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？