半导体二极管南京理工大学模电.pptx
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1、(南京理工大学(南京理工大学 电光学院)电光学院)主讲:黄主讲:黄 琳琳办公室:基础实验楼办公室:基础实验楼210/211电电 话话:84315441E-mail:1.本课程的性质本课程的性质 是一门技术基础课是一门技术基础课2.研究内容研究内容工程性质、工程性质、实践性很强实践性很强模拟电子电路模拟电子电路处理模拟信号的电子电路称为处理模拟信号的电子电路称为模拟电路模拟电路什么是模拟信号?什么是模拟信号?导 言模拟信号模拟信号举例:举例:注:声音信号、速度信号、温度信号等都是模拟信号注:声音信号、速度信号、温度信号等都是模拟信号.模拟信号:时间连续、数值连续的信模拟信号:时间连续、数值连续的
2、信号号tu0ut0tu0u0t数字电路数字电路:处理数字信号的电子电路处理数字信号的电子电路数字信号数字信号:一种离散的信号(包括时间离散和:一种离散的信号(包括时间离散和幅值离散两种情况)幅值离散两种情况)电子信息系统电子信息系统D/AD/A转换转换提取出的信号:弱信号、噪声大、易受干扰。提取出的信号:弱信号、噪声大、易受干扰。传感器、传感器、接收器接收器预处理:隔离、滤波、阻抗变换、放大。预处理:隔离、滤波、阻抗变换、放大。加加 工:运算、转换、比较等。工:运算、转换、比较等。驱动与执行:功率放大、阻抗匹配、负载驱动。驱动与执行:功率放大、阻抗匹配、负载驱动。模拟电路模拟电路数字电路数字电
3、路信号信号提取提取信号的信号的预处理预处理信号的信号的加工加工信号的驱信号的驱动与执行动与执行A/DA/D转换转换计算机或计算机或其它数字其它数字处理系统处理系统2.研究内容研究内容 电子元器件的工作原理(二极管、三极管和集成运放)电子元器件的工作原理(二极管、三极管和集成运放)基本单元电路放大器的构成原理及互联基本单元电路放大器的构成原理及互联 电子电路的分析方法电子电路的分析方法 以器件为基础、以以器件为基础、以“放大放大”为主线,以传递为主线,以传递“模拟信号模拟信号”为目的,为目的,研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。3.
4、教学目标教学目标 能够对一般性的、常用的电子电路进行分析,同时对较简单的单能够对一般性的、常用的电子电路进行分析,同时对较简单的单元电路进行设计。元电路进行设计。4.学习方法学习方法 重点掌握基本概念、基本电路的结构、基本分析方法,在此基础重点掌握基本概念、基本电路的结构、基本分析方法,在此基础上拓展知识面,拓宽思路。上拓展知识面,拓宽思路。抓住抓住“模电模电”的几个特点,可以事半功倍:的几个特点,可以事半功倍:5.教材及参考书教材及参考书教材:华成英、童诗白主编,教材:华成英、童诗白主编,模拟电子技术基础模拟电子技术基础(第四版)(第四版),高等教育出版社高等教育出版社 参考书:康华光主编,
5、参考书:康华光主编,电子技术基础电子技术基础(模拟部分)(模拟部分)(第四版)(第四版),高等教育出版社高等教育出版社 线性要求和非线性器件的矛盾(概念、分析方法)线性要求和非线性器件的矛盾(概念、分析方法)器件少、电路多(找出各电路之间的规律,可举一反三)器件少、电路多(找出各电路之间的规律,可举一反三)工程估算工程估算 分立是基础、集成是应用分立是基础、集成是应用4 4 集成运算放大电路集成运算放大电路 2 2 基本放大电路基本放大电路1 1 常用半导体器件常用半导体器件3 3 多级放大电路多级放大电路5 5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应6 6 放大电路中的反馈放大电路中的反馈7
6、7 信号的运算和处理信号的运算和处理8 8 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换9 9 功率放大电路功率放大电路 10 10 直流电源直流电源 课程教学内容简介课程教学内容简介*认真听讲,有问题及时提出认真听讲,有问题及时提出*按时按时独立独立完成作业,答题须有完成作业,答题须有解题步骤解题步骤,一周交,一周交一次作业(每周二交)一次作业(每周二交)*认真做好试验,认真做好试验,充分利用实验来消化、理解课程充分利用实验来消化、理解课程的理论内容的理论内容 要求要求:课时安排:课时安排:总课时:总课时:64 64 学时学时 其中:其中:理论课:理论课:5656学时学时 实实 验:验:8
7、8学时学时课程总成绩组成:课程总成绩组成:期末考期末考8585实验成绩实验成绩1515考试方式:闭卷考试方式:闭卷1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 1.4 场效应管场效应管1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 PN1.1.3 PN结结 1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体 概论概论 半导体的导电机理半导体的导电机理 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同,来划分的不同,来划
8、分导体导体、绝绝缘体缘体和和半导体半导体。半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半导体有。典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。一、一、概论概论1、定义:、定义: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2 2、半导体的特殊性质、半导体的特殊性质热敏性热敏性:半导体受热时,其导电能力增强。半导体受热时,其导电能力增强。光敏性光敏性:半导体光照时,其导电能力增强。半导体光照时,其导电能力增强。掺杂性掺杂性:在纯净的半导体材料中,掺杂微量杂质,其导电能在纯净的半导体材料中,掺杂微量杂质,其导
9、电能力大大增强。力大大增强。(可增加几十万至几百万倍)(可增加几十万至几百万倍)制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%,常称为,常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。二、半导体的导电机理二、半导体的导电机理本征半导体本征半导体化学成分纯净的、具有单晶体化学成分纯净的、具有单晶体结构的半导体。结构的半导体。惯性核惯性核 原子由带正电荷的原子由带正电荷的原子核原子核和分层围绕原子核运动的和分层围绕原子核运动的电子电子组成。其中处于最外层的电子称为组成。其中处于最外层的电子称为价电子价电子,它受原子,
10、它受原子核的束缚力最小。核的束缚力最小。价电子数价电子数决定了物质的化学性质。决定了物质的化学性质。半导体的导电性质也与半导体的导电性质也与价电子数价电子数有关。有关。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素,在在原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子为为价价电电子子。它它们们分分别别与与周周围围的的四四个个原原子子的的价价电电子子形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有,并并为为它它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体。们所束缚,在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图如图所示。这种结构的
11、立体和平面示意图如图所示。(c)(a)硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当当本本征征半半导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K0K和和没没有有外外界界影影响响时时,它它的的价价电电子子束束缚缚在在共共价价键键中中,不不存存在在自自由由运运动动的的电电子子,此此时时它它是是良良好好的的绝绝缘缘体体。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时,价价电电子子能能量量增增高高,有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚,而而参参与与导导电电,成成为为自由电子自由电子。自由电子产生的同时
12、,在其原来的共价键中就出现自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为个空位为空穴空穴。(动画1-1)这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发,也称也称热激发热激发。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为对出现的,称为电子空穴对电子空穴对。自自由由电电子子的的定定向向运运动动形形成成了了电电子子电
13、电流流,空空穴穴的的定定向向运运动动形形成成空空穴穴电电流流,它它们们的的方方向向相相反反。只只不不过过空空穴穴的的运运动动是是靠靠相相邻邻共共价价键键中中的的价价电电子子依依次次充充填填空空穴来实现的。穴来实现的。(动画1-2)空穴的移动 空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。空穴来实现的。为了区别于为了区别于自由电子自由电子的运动,就把的运动,就把价价电子电子的运动虚拟为空穴运动,且运动方向相反。的运动虚拟为空穴运动,且运动方向相反。从这从这个意义上来说,可将空穴看成一个带正电的粒子。个意义上来说,可将空穴看成一个带正电的粒子。本
14、征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子负电荷载流子负电荷载流子正电荷载流子正电荷载流子自由电子的定向运动形成自由电子的定向运动形成电子电流电子电流空穴的定向运动形成空穴的定向运动形成空穴电流空穴电流皆为载流子,所带电量相等皆为载流子,所带电量相等电荷极性相反电荷极性相反相同点:相同点:不同点:不同点:自由电子:自由电子:空空 穴:穴:运载电荷的粒子称为载流子运载电荷的粒子称为载流子载流子的浓度载流子的浓度n载流子复合载流子复合:自由电子与自由电子与空穴在热运动中相遇,使空穴在热运动中相遇,使两者同时消失的现象。两者同时消失的现象。n载流子的动态平衡载流子的动态平衡:在一定温度下,单位在
15、一定温度下,单位时间内本征激发所时间内本征激发所产生的自由电子产生的自由电子-空穴对空穴对的数目与复合而的数目与复合而消失的自由电子消失的自由电子-空穴对空穴对的的数目相等数目相等,就达到了载流子的,就达到了载流子的动态平衡动态平衡状状态,使本征半导体中载流子的浓度一定。态,使本征半导体中载流子的浓度一定。载流子的浓度载流子的浓度当温度一定时,激发和复合会达到动态平衡。当温度一定时,激发和复合会达到动态平衡。这时,载流子的浓度可用公式表示为:这时,载流子的浓度可用公式表示为:可见本征载流子浓度和可见本征载流子浓度和温度温度温度温度有关,温度升高,本征载有关,温度升高,本征载流子浓度就增加,当温
16、度一定时,对固定的一块半导流子浓度就增加,当温度一定时,对固定的一块半导体材料,本征载流子浓度是一定的。体材料,本征载流子浓度是一定的。T T为热力学温度为热力学温度,k,k为玻尔兹曼常数,为玻尔兹曼常数,E EG0G0为热力学零度时破坏共价为热力学零度时破坏共价键所需的能量,键所需的能量,K K1 1为与半导体材料载流子有效质量、有效能级密为与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量度有关的常量 (1)空穴与电子)空穴与电子成对成对出现。出现。(2)自由电子在)自由电子在晶格中晶格中运动,空穴在运动,空穴在共价键内共价键内运动。运动。(4)温度升高时,载流子浓度增大,导电能力增强,)
17、温度升高时,载流子浓度增大,导电能力增强,因此,本征半导体可以制成因此,本征半导体可以制成热敏元件热敏元件和和光敏元件光敏元件。本征激发小结:本征激发小结:(3)温度一定时,激发和复合达到)温度一定时,激发和复合达到动态平衡动态平衡。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。一
18、、一、N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,可在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,可形成形成 N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供;空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由本征激发形成。由本征激发形成。提供自由电子的五价杂质提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为原子因带正电荷而成为正正离子离子,因此五价杂质原子,因此五价杂质原子也称为也称为施主杂质施主杂质。(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓、在本征半导体中掺入三
19、价杂质元素,如硼、镓、铟等形成了铟等形成了P型半导体型半导体,也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。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,主要由掺杂形成;主要由掺杂形成;电子是少数载流子电子是少数载流子,由本征激发形成。由本征激发形成。空穴很容易俘获电子,使空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为杂质原子成为负离子负离子。三。三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂受主杂质质。P型半导体的结构示意图本征半导体中掺入微量杂质元素构成本征半导体中掺入微量杂质元素构成杂质半导体杂质半导体。综综 上:上:在常温下,杂质原子均已电离,载流子浓度就大大增加,在常温下,杂质原子均已电离,载流子
20、浓度就大大增加,使半导体的使半导体的导电能力导电能力大大提高。大大提高。掺杂掺杂是提高半导体导电能力的有效方法。是提高半导体导电能力的有效方法。多数载流子的浓度主要取决于掺入的多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度杂质浓度;而少数载流子的浓度主要取决于而少数载流子的浓度主要取决于温度温度。在杂质半导体中:在杂质半导体中:2、两种浓度不等的载流子两种浓度不等的载流子:多子多子由掺杂形成(主要取决于掺入的杂质浓度)由掺杂形成(主要取决于掺入的杂质浓度)少子少子由热激发形成(主要取决于温度)由热激发形成(主要取决于温度)N型半导体中型半导体中,多子为自由电子,少子为空穴;,多子为自由电子,少子为空
21、穴;3、微量掺杂就可形成大量的多子。故杂质半导体导电率、微量掺杂就可形成大量的多子。故杂质半导体导电率高高。4、杂质半导体呈电中性。、杂质半导体呈电中性。在在N型半导体中,型半导体中,自由电子数(掺杂自由电子数(掺杂+热激发)热激发)=空穴数(热激发)空穴数(热激发)+正离子数正离子数在在P型半导体中,型半导体中,空穴数(掺杂空穴数(掺杂+热激发)热激发)=自由电子数(热激发)自由电子数(热激发)+负离子数负离子数杂质半导体小结:杂质半导体小结:1、两种杂质半导体:两种杂质半导体:N型型本征硅或锗掺微量五价杂质元素本征硅或锗掺微量五价杂质元素 P型型本征硅或锗掺微量三价杂质元素本征硅或锗掺微量
22、三价杂质元素P型半导体中型半导体中,多子为空穴,少子为自由电子。,多子为空穴,少子为自由电子。PN结的形成PN结的单向导电性1.1.3 PN1.1.3 PN结结PN结的伏安特性及其表达式PN结的击穿特性及电容效应1 1、PNPN结的形成结的形成PN结的形成过程结的形成过程(动画1-3)在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体型半导体和和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差(电子和空穴)因浓度差(电子和空穴)多
23、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在出现了空间电荷区后,在出现了空间电荷区后,由于正负电荷间的相互作用,由于正负电荷间的相互作用,在空间电荷区中形成了一个电场,称为在空间电荷区中形成了一个电场,称为内电场内电场,其方向是,其方向是从带正电的从带正电的N区指向带负电的区指向带负电的P区。区。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型半导体和型半导体和N型型半导体结合面,半导体结合面,离子薄
24、层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。空间电。空间电荷区也称荷区也称耗尽层耗尽层。PN结的形成过程扩散运动扩散运动:由浓度高到浓度低:由浓度高到浓度低(多子的运动)(多子的运动)漂移运动漂移运动:载流子在电场作用下的定向运动(少子:载流子在电场作用下的定向运动(少子的运动)的运动)PN结结:稳定后的空间电荷区:稳定后的空间电荷区2 2、PNPN结的单向导电性结的单向导电性PN结加正向电压时的导电情况(动画1-4)a、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 外加的正向电压有一部外加的正向电压有一部分降落在分降落在PN结区,方向与结区,方向与PN结内电场方向相反
25、,削弱了结内电场方向相反,削弱了内电场。于是内电场。于是,内电场对多子内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流漂移电流,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。(动画1-4)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外电场削弱了内电场外电场削弱了内电场 PN结结 多子的扩散运动加强多子的扩散运动加强 PN结导通结导通当外加正向电压时:当外加正向电压时:b、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PN结加反向电压时的导电情况 (动画1-5)外加的反向电压有一部分
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