模拟1-1、2.ppt

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1、模模 拟拟 电电 子子 技技 术术电子讲义电子讲义1第一节主要内容 半导体器件基础半导体器件基础半导体器件基础半导体器件基础 放大器基础放大器基础放大器基础放大器基础 反馈放大器反馈放大器反馈放大器反馈放大器 集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器应用集成运算放大器应用集成运算放大器应用集成运算放大器应用 功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器 波形产生与波形变换波形产生与波形变换波形产生与波形变换波形产生与波形变换 直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源2Chapter 1 Chapter 1 Chapter 1 半导体器件基础半导体器件基础n

2、n半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识n nPNPN结与半导体二极管结与半导体二极管结与半导体二极管结与半导体二极管n n特殊二极管特殊二极管特殊二极管特殊二极管n n半导体三极管半导体三极管半导体三极管半导体三极管n n场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管3Chapter 1 1-1 半半导体基体基础知知识n本征半导体本征半导体n杂质半导体杂质半导体n半导体导电过程半导体导电过程4第一节Chapter 1 自然界的物质按其导电能力的大小可分为：自然界的物质按其导电能力的大小可分为：导体导体：电阻率：电阻率10-4cm 绝缘体绝缘体：1012cm 半导体半导体：

3、10-3cm 109cm，导电性能介于，导电性能介于导体与绝缘体之间。导体与绝缘体之间。在近代大规模集成电路（在近代大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电）和超大规模集成电路（路（VLSI）中主要使用）中主要使用硅（硅（Si）和和砷化镓（砷化镓（GaAs）材材料。料。硅谷、集成电路硅谷、集成电路Semiconductor Integrated circuit5第一节Chapter 1 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体纯净的且具有完整晶体结构的半导体1、共价键晶体结构共价键晶体结构 最外层原子轨道上的电子称为最外层原子轨道上的电子称为价电子价电子价电子

4、价电子。Si（Ge）为）为4价物质。价物质。Si（Ge）在形成晶体时，每个原子均与）在形成晶体时，每个原子均与4个邻接个邻接的原子共用轨道，形成具有的原子共用轨道，形成具有4价共价键的稳定的价共价键的稳定的晶体晶体晶体晶体结构结构结构结构。2、本征激发本征激发 因热运动产生自由电子空穴对的现象称因热运动产生自由电子空穴对的现象称本征激发本征激发本征激发本征激发（又称热激发）。（又称热激发）。1.1.1 本征半导体本征半导体6第一节Chapter 1 3、空穴导电、空穴导电能够导电的电荷称为载流子。能够导电的电荷称为载流子。半导体中有半导体中有两种载流子两种载流子两种载流子两种载流子：自由电子和

5、空穴。：自由电子和空穴。空穴导电的实质是价电子依次填补空位的运动。空穴导电的实质是价电子依次填补空位的运动。4、本征浓度、本征浓度复合复合自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。电子空穴成对消失。在一定温度下，本征激发和复合在某一热平衡载流在一定温度下，本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。子浓度值上达到动态平衡。7第一节Chapter 1 本征半导体热平衡时的载流子浓度本征半导体热平衡时的载流子浓度本征浓度本征浓度它们与温度的关系可表示为：它们与温度的关系可表示为：与半导体材料有关的系数与半导体材料有关的系数Si：A=

6、3.881016cm-3K-3/2Ge：A=1.761016cm-3K-3/2玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）绝对温度绝对温度T=0K时的禁带宽时的禁带宽度（电子伏特）度（电子伏特）Si：Ego=1.1eVGe：Ego=0.68eV可见可见ni（pi）随）随T升高而增大，因而本征半导体的导升高而增大，因而本征半导体的导电能力相应随温度升高而增强。电能力相应随温度升高而增强。8第一节Chapter 1 注意：在常温下，本征半导体中载流子浓度注意：在常温下，本征半导体中载流子浓度 Si：ni=pi=1.51010/cm3，Ge：ni=pi=2.51013/cm3，与原子密度（约

7、为与原子密度（约为1022/cm3量级，）相比，是微不量级，）相比，是微不足道的（足道的（1/3.31012），故本征半导体的导电性很），故本征半导体的导电性很弱，不能直接用于制造半导体器件。弱，不能直接用于制造半导体器件。9第一节Chapter 1 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征在本征Si（或（或Ge）中掺入微量杂质，可显著改）中掺入微量杂质，可显著改变半导体的导电特性，即使得自由电子和空穴的数变半导体的导电特性，即使得自由电子和空穴的数量差别极大，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的量差别极大，且其导电性能由杂质的类型和掺杂的数量支配，而不再取决于温度。数量支配，而不再取决于温度。1

8、、N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入5价原子如砷（价原子如砷（As）、磷）、磷（P）N N型半导体型半导体型半导体型半导体。2、P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入3价原子如硼（价原子如硼（B）、镓）、镓（Ga）P P型半导体型半导体型半导体型半导体掺杂后的杂质半导体在电性能上依然呈电中性。掺杂后的杂质半导体在电性能上依然呈电中性。10第一节Chapter 1 1.1.3 半导体中的电流半导体中的电流1、漂移电流、漂移电流在电场的作用下，因电场力引起载流子的移在电场的作用下，因电场力引起载流子的移动产生的电流称动产生的电流称漂移电流漂移电流漂移电流漂移

9、电流。2、扩散电流、扩散电流若半导体内载流子浓度分布不均匀（又称浓若半导体内载流子浓度分布不均匀（又称浓度差），因浓度差引起载流子的移动产生的度差），因浓度差引起载流子的移动产生的电流称扩散电流。电流称扩散电流。11第一节Chapter 1 2 8 4+14Si2 818 4+32Ge4个价电子个价电子+4惯性核惯性核12第一节Chapter 1+4+4+4+4+4+4+4+4+4晶体结构晶体结构共价键共价键13第一节Chapter 1 当温度当温度T=0 K（237 C）且无外界其他能量激发时，且无外界其他能量激发时，半导体的价电子全都束缚在半导体的价电子全都束缚在共价键中，不存在能自由运共

10、价键中，不存在能自由运动的带电粒子，因而没有导动的带电粒子，因而没有导电性。电性。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 若温度升高（若温度升高（T 0 K），），个别价电子因热运动获得能个别价电子因热运动获得能量，挣脱共价键的束缚，成量，挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键为自由电子，同时在共价键上留下空位（空穴）。上留下空位（空穴）。14第一节Chapter 1 常温下，常温下，5价多余电子与原价多余电子与原子的结合就被切开而成为自子的结合就被切开而成为自由电子（与掺杂的由电子（与掺杂的5价原子数价原子数相应）相应）电传导的主要载电传导的主要载流子。流子。自由

11、电子、空穴对自由电子、空穴对施主原子施主原子N型半导体型半导体n p电离产生电离产生自由电子自由电子+4+4+5+4+4+4+5+4+4n 多数载流子多数载流子p 少数载流子少数载流子热平衡下载流子浓度满足：热平衡下载流子浓度满足：施主杂施主杂质浓度质浓度15第一节Chapter 1 P型半导体型半导体多余空穴多余空穴受主受主原子原子 在在P型半导体的晶体结构中，型半导体的晶体结构中，通常会缺少一个电子，产生通常会缺少一个电子，产生与掺杂的与掺杂的3价原子数相应的空价原子数相应的空穴而具有导电性。穴而具有导电性。+4+4+3+4+4+4+3+4+4自由电子、空穴对自由电子、空穴对p np 多数

12、载流子多数载流子n 少数载流子少数载流子热平衡下载流子浓度满足：热平衡下载流子浓度满足：受主杂受主杂质浓度质浓度16第一节Chapter 1+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子移动自由电子移动空穴移动空穴移动17第一节Chapter 1 外加电场外加电场漂移电流漂移电流漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。18第一节chapter 11-2 PNPN结的形成结的形成结的形成结的形成 PNPN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性 PNPN结的电容特性结的电容特性结的电容特性结的电容特性 半导体二极管及其参数半导体二极管及其参数半导

13、体二极管及其参数半导体二极管及其参数 二极管的电路模型及应用二极管的电路模型及应用二极管的电路模型及应用二极管的电路模型及应用19第二节chapter 1 在在一一块块本本征征半半导导体体在在两两侧侧通通过过扩扩散散不不同同的的杂杂质质,分分别别形形成成 N型型半半 导导 体体 和和 P型型 半半导导体体。此此时时将将在在N型型半半导导体体和和 P型型半半导导体体的的结结合合面面上上 形形 成成 P N结结。1.2.1 PN结的形成结的形成PN结的形成过程结的形成过程20第二节chapter 1 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于对于P型半导体

14、和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成型半导体结合面，离子薄层形成的的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少。在空间电荷区，由于缺少多子所以也称多子所以也称耗尽层耗尽层。物理过程如下物理过程如下:因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散 21第二节chapter 1(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 *外加的正向电压削弱外加的正向电压削弱了内电场。了内电场。*阻挡层变薄，扩散

15、电阻挡层变薄，扩散电流加大。流加大。扩散电流远大于漂移扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流电流，可忽略漂移电流的影响。的影响。*PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。PN结加正向电压结加正向电压时的导电情况时的导电情况1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性22第二节chapter 1(2)PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 *外加的反向电压加强外加的反向电压加强了内电场。了内电场。*阻挡层内增强，阻碍阻挡层内增强，阻碍多子扩散运动。多子扩散运动。*少子在内电场的作用少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩下形成的漂移电流大于扩散电流。散电流。*PN结呈现高阻性。结呈现高阻性

16、。PN结加反向电压结加反向电压时的时的导电情况导电情况23第二节chapter 1 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电结具有单向导电性。性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关本上与所加反向电压的大小

17、无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。24第二节chapter 1 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。因素决定。一是势垒电容一是势垒电容CB，二是扩散电容二是扩散电容CD。1.2.3 PN结的电容效应结的电容效应25第一节chapter 1 1、势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量结中存储的电荷量也

18、随之变化，犹如电容的充放电。也随之变化，犹如电容的充放电。26第一节chapter 1 扩散电容是扩散电容是由多子扩散后，由多子扩散后，在在PN结的另一侧面积累而形结的另一侧面积累而形成的成的。2、扩散电容、扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩区扩散到散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形成类似的区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。浓度梯度分布曲线。因因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散区扩散到到P区的电子，与外电源提区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就电流。刚扩散过来的电子就堆积在堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的结的附近，形成一定

19、的多子附近，形成一定的多子浓度浓度梯度梯度分布曲线。分布曲线。27第一节chapter 1 当外加正向电压不同时，扩当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就散电流即外电路电流的大小也就不同。所以不同。所以PN结两侧堆积的多子结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容势垒电容和扩散电容均是非线性电容势垒电容和扩散电容均是非线性电容势垒电容和扩散电容均是非线性电容。由于由于CB、CD都并接在都并接在PN结上，故结上，故CJPN结正偏时结正偏时,CD CB，CJ CD（10103pF）；）；PN结反偏时结反偏时,CB CD，CJ CB（10102pF）。）。28第一节