第1章半导体基础PPT讲稿.ppt
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1、第1章半导体基础第1页,共71页,编辑于2022年,星期日相关信息相关信息电子技术是一门实践性很强的课程。电子技术是一门实践性很强的课程。n先修课程:大学物理、电路分析先修课程:大学物理、电路分析n后续课程:计算机接口技术、单片机、信号与后续课程:计算机接口技术、单片机、信号与系统、电力电子等系统、电力电子等n特别说明:特别说明:研究生入学考试课程之一研究生入学考试课程之一2第2页,共71页,编辑于2022年,星期日实验室实验室n良乡良乡(理学楼电工电子实验中心)(理学楼电工电子实验中心):三电中心电子学实:三电中心电子学实验室及验室及EDA实验室实验室n中关村:电子学实验室及中关村:电子学实
2、验室及EDA实验室实验室n北京理工大学和美国美信公司:北京理工大学和美国美信公司:“单总线技术联合实验室单总线技术联合实验室”n北京理工大学和德国控创(北京)科技有限公司北京理工大学和德国控创(北京)科技有限公司 “嵌入式联合实验室嵌入式联合实验室”4第3页,共71页,编辑于2022年,星期日课程安排课程安排n参考教材:模拟电子技术基础参考教材:模拟电子技术基础 (王远主编,第(王远主编,第3版版,机械工业出版社机械工业出版社)n总课时:总课时:56学时学时n实验(实验(1.5学分)学分):24学时学时n实验教材:电子技术实验实验教材:电子技术实验 (张玉平主编,北京理工大学出版社)(张玉平主
3、编,北京理工大学出版社)6第4页,共71页,编辑于2022年,星期日成绩说明成绩说明n平时总计:平时总计:30分分 包括课堂(考勤及测验,不能补交)及课后包括课堂(考勤及测验,不能补交)及课后(作业,可以补交,但影响平时成绩)(作业,可以补交,但影响平时成绩)n期末考试:卷面期末考试:卷面100分,折合分,折合70分。分。8第5页,共71页,编辑于2022年,星期日6作业作业n作业和自测题两种,自测题不交。作业和自测题两种,自测题不交。n上课前收作业,上课前收作业,课代表课代表按学号排序后按学号排序后交老师交老师,课间及课后课间及课后不收作业不收作业,未能按时上交作业,可随下一章作业一起,未能
4、按时上交作业,可随下一章作业一起上交。上交。n由于已出版习题解答辅导教材,老师不批改作业,只由于已出版习题解答辅导教材,老师不批改作业,只考查是否缺题,并登录成绩,部分作业会在课堂上讲考查是否缺题,并登录成绩,部分作业会在课堂上讲解。解。第6页,共71页,编辑于2022年,星期日7测验说明测验说明n学时较多的章节和重要章节一般都要进行测学时较多的章节和重要章节一般都要进行测验。验。n未参加测验的同学不能补交。未参加测验的同学不能补交。第7页,共71页,编辑于2022年,星期日模拟电子技术基础模拟电子技术基础研究对象:研究对象:模拟信号(在时间和幅度上均连续的信号)模拟信号(在时间和幅度上均连续
5、的信号)模拟电路(处理模拟信号的电路)模拟电路(处理模拟信号的电路)学习内容:学习内容:模拟电路的基本概念、基本原理、模拟电路的基本概念、基本原理、基本应用基本应用及及基本分析基本分析和设计方法和设计方法8第8页,共71页,编辑于2022年,星期日9学习方法:学习方法:工程的观点,学会近似处理工程的观点,学会近似处理实践性强,理论与实践相结合,注重实验、习题实践性强,理论与实践相结合,注重实验、习题第9页,共71页,编辑于2022年,星期日10放大电路的频响模拟电子技术基础知识结构框图模拟电子技术基础知识结构框图第10页,共71页,编辑于2022年,星期日11前言前言n电电子技子技术术是是现现
6、代社会代社会发发展最迅速、展最迅速、应应用最广泛的技用最广泛的技术术,已使,已使人人们们的日常生活的日常生活发发生了根本的生了根本的变变革。革。n在在电电子子电电路中,路中,产产生、生、传递传递、加工和、加工和处处理的信号可以分理的信号可以分为为模模拟拟信号和数字信号两大信号和数字信号两大类类。n模模拟拟信号在信号在时间时间和数和数值值上都是上都是连续连续的,即的,即对应对应于任意于任意时间时间均有确定的均有确定的电电流或流或电压值电压值,并且其幅,并且其幅值值是是连续连续的,如正弦的,如正弦波信号就是典型的模波信号就是典型的模拟拟信号信号第11页,共71页,编辑于2022年,星期日12n某天
7、最低气温是某天最低气温是1515 C C,最高气温是,最高气温是2525 C C,则,则一天的气温变化是连续的。一天的气温变化是连续的。第12页,共71页,编辑于2022年,星期日13n与模拟信号不同,与模拟信号不同,数字信号数字信号在时间和数值上在时间和数值上是离散的,或者说是是离散的,或者说是不连续不连续的,且其数值的的,且其数值的变化都是某个变化都是某个最小量值的整数倍最小量值的整数倍。第13页,共71页,编辑于2022年,星期日14n处理模拟信号的电路称为处理模拟信号的电路称为模拟电路模拟电路。n处理数字信号的电路称为处理数字信号的电路称为数字电路数字电路。n自然界存在大量的模拟信号和
8、数字信号以及模拟系自然界存在大量的模拟信号和数字信号以及模拟系统和数字系统,并且这些系统往往并非独立,而是统和数字系统,并且这些系统往往并非独立,而是相互渗透的,因此在进行信号处理时需要将两者通相互渗透的,因此在进行信号处理时需要将两者通过过接口电路接口电路进行转换。进行转换。第14页,共71页,编辑于2022年,星期日 第第1章章 半导体基础和二极管半导体基础和二极管1.1半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体,杂质半导体,本征半导体,杂质半导体,PN结及其特性结及其特性1.2半导体二极管半导体二极管 结构与类型,伏安特性,参数,型号及其选择,结构与类型,伏安特性,参数,型号及其选择,
9、模型,应用举例,稳压管模型,应用举例,稳压管15第15页,共71页,编辑于2022年,星期日作业n6,8,9,10n自测题:自测题:2,316第16页,共71页,编辑于2022年,星期日难点难点:半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体二极管工作原理。体二极管工作原理。(是难点但不是重点。)(是难点但不是重点。)本章的难点和重点本章的难点和重点重点:重点:从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极管工作原理,掌握其外部特性及主要参数。管工作原理,掌握其外部特性及主要参数。17第17页,共71页,编辑于2
10、022年,星期日1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一、半导体一、半导体半导体:半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导电体材料为常用的半导电体材料为硅(硅(Si)和和锗(锗(Ge),),均为四价元素均为四价元素半导体具有的特殊性质半导体具有的特殊性质:光敏特性、热敏特性及掺杂特性等。:光敏特性、热敏特性及掺杂特性等。1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体18第18页,共71页,编辑于2022年,星期日在热力学温度零度在热力学温度零度和没有外界激发时和没有外界激发时,本征半导体不导电。本征半导体不导电。把纯净的、结构完整把纯净
11、的、结构完整的半导体单晶体称为的半导体单晶体称为本征半导体本征半导体 图图1.2 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体的结构二、本征半导体的结构19第19页,共71页,编辑于2022年,星期日+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合成对出现成对出现成对消失成对消失本征激发和复合本征激发和复合 动画动画1-1三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子电子和空穴电子和空穴20第20页,共71页,编辑于2022年,星期日+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场
12、方向外电场方向外电场方向外电场方向空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下,在外电场作用下,电子和空穴均能参电子和空穴均能参与导电与导电 动画动画1-2价电子填补空穴价电子填补空穴形成两种电流:形成两种电流:电子电流,电子电流,空穴电流空穴电流21第21页,共71页,编辑于2022年,星期日四、本征浓度四、本征浓度在一定温度条件下,产生与复合的过程虽然仍在不断进行,在一定温度条件下,产生与复合的过程虽然仍在不断进行,但电子但电子-空穴对却保持一定的数目空穴对却保持一定的数目本征半导体载流子的浓度本征半导体载流子的浓度其中,其中,Eg为半导体的激活能,为半导体的激活能,
13、T为绝对温度,为绝对温度,k为波耳兹曼为波耳兹曼常数(常数(1.3810-23J/K),),A为系数。为系数。常温下:硅常温下:硅ni(pi)=1.41010/cm3 锗锗ni(pi)=2.51013/cm322第22页,共71页,编辑于2022年,星期日23半导体材料性能对温度的敏感性,使其既可以用来制作半导体材料性能对温度的敏感性,使其既可以用来制作热敏和光敏器件,同时又是造成其温度稳定性差的原因。热敏和光敏器件,同时又是造成其温度稳定性差的原因。第23页,共71页,编辑于2022年,星期日+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体一一.N 型半导体型半导
14、体在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中掺入少量中掺入少量五五价价元素元素,如磷如磷,则形成则形成N型半导体。型半导体。磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子图图1-4 N型半导体型半导体24第24页,共71页,编辑于2022年,星期日 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导体中型半导体中,电子是多数载流子(多子)电子是多数载流子(多子),空穴是少数载空穴是少数载流子(少子),流子(少子),但仍是电中性但仍是电中性第第1章章 1.125第25页,共71页,编辑于2022年,星期日+4+4+4+4+4+4+4
15、空穴空穴二二.P型半导体型半导体在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中掺入少量的中掺入少量的三三价元素价元素,如硼如硼,则则形成形成P 型半导体。型半导体。+4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子26第26页,共71页,编辑于2022年,星期日电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子在在P型半导体中型半导体中,空穴是多数载流子空穴是多数载流子,电子是少数载流子。电子是少数载流子。27第27页,共71页,编辑于2022年,星期日一、一、PN 结的形成结的形成在同一块半导体单晶上在同一块半导体单晶上,形成形成P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体,在这在这
16、两种半导体的交界处就形成了一个两种半导体的交界处就形成了一个PN 结。结。1.1.3 1.1.3 PN 结结多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区28第28页,共71页,编辑于2022年,星期日 由于载流子的浓度差,由于载流子的浓度差,P区的空穴向区的空穴向N区扩散,区扩散,N区的电区的电子向子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动扩散运动。随着扩散运动的进行,随着扩散运动的进行,N区出现正离子区,区出现正离子区,P区出现负离区出现负离子区,这个不能移动的电荷区叫子区,这个不能移动的电荷区叫空间电荷
17、区空间电荷区。因没有载流。因没有载流子,也叫子,也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。耗尽层、势垒区、阻挡层。29第29页,共71页,编辑于2022年,星期日 由空间电荷区产生的、方向为由空间电荷区产生的、方向为N区指向区指向P区的内建电场区的内建电场阻碍了扩散运动,同时使少子产生漂移运动,即阻碍了扩散运动,同时使少子产生漂移运动,即N区的空区的空穴向穴向P区漂移,区漂移,P区的电子向区的电子向N区漂移。区漂移。当漂移运动和扩散运动达到当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时,扩散电流等动态平衡时,扩散电流等于漂移电流且方向相反,于漂移电流且方向相反,PN结中电流为零,结中电流为零,PN结宽度及结宽度及电位差
18、电位差Uho为恒定值。为恒定值。硅:(硅:(0.60.8)V;锗:(;锗:(0.1 0.3)V。30第30页,共71页,编辑于2022年,星期日一定条件下,多子扩散与少子漂移达到动态平衡,空一定条件下,多子扩散与少子漂移达到动态平衡,空间电荷区宽度基本稳定。间电荷区宽度基本稳定。动画动画1-3 P 区区N 区区内电场方向内电场方向31第31页,共71页,编辑于2022年,星期日内电场方向内电场方向二、二、PN 结的特性结的特性1、PN 结的单向导电性结的单向导电性是指是指PN结在不同极性的外加电压作用时,其导结在不同极性的外加电压作用时,其导电能力有显著差异。电能力有显著差异。32第32页,共
19、71页,编辑于2022年,星期日内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区空间电荷区变窄变窄 扩散运动增强,形扩散运动增强,形成较大的正向电流成较大的正向电流(1)外加正向电压外加正向电压(正偏正偏)(P端接电源正极端接电源正极 动画动画1-4)PN结两端不能直接接结两端不能直接接电源两端。电源两端。33第33页,共71页,编辑于2022年,星期日P 区区N 区区内电场方向内电场
20、方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR(2 2)外加反向电压外加反向电压(反偏反偏)(N端接电源正极)端接电源正极)动画动画1-5少数载流子越过少数载流子越过PN结形结形成很小的反向电流成很小的反向电流 34第34页,共71页,编辑于2022年,星期日PN结的单向导电性结的单向导电性PNPN结正向偏置时靠多子导电,产生的正向电流数结正向偏置时靠多子导电,产生的正向电流数值较大值较大,此时容易导电;此时容易导电;PNPN结反向偏置时靠少子导电,产生的反向电流结反向偏置时靠少子导电,产生的反向电流数值很小,几乎不导电。数值很小,几乎不导电。35第35页,共71页,编辑于20
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