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1、,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,一、导体、半导体和绝缘体,PNJunction,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体
2、,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,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。,T,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。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征激发,复合,动态平衡,
3、1.半导体中两种载流子,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。,3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni=pi。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.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。,小结,杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、N 型半导体(Negative),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)。,常用的 5 价杂质元素有
4、磷、锑、砷等。,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，即 n p。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)。,5 价杂质原子称为施主原子。,二、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。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 P 型半导体,说明：,1.掺入杂
5、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。,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如下图所示。,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。,(a)N 型半导体,(b)P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,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。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,PN结,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,PN 结，耗尽层。,（动画1
6、-3）,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5.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。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,二、PN 结的单向导电性,1.PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图,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
7、过大，可接入电阻 R。,2.PN 结外加反向电压时处于截止状态(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；,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。,图 PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS 将急剧增大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见
8、，PN 结具有单向导电性。,四、PN结的伏安特性,i=f(u)之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1.势垒电容Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a)PN 结加正向电压,（b)PN 结加反向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb=f(U)曲线如图示。,2.扩散电容 C
9、d,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x=0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大，np(或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。,图,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,当反向偏置时
10、，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。,一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,1.1 数字电路的基本概念,数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。,一、模拟信号与数字信号模拟信号时间连续数值也连续的信号。如速度、压力、温度等。数字信号在时间上和数值上均是离散的。如电子表的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。,有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：,二、正逻辑与负逻辑,数字信号是一种二值信号，用
11、两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。,三、数字信号的主要参数,一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：Vm信号幅度。T信号的重复周期。tW脉冲宽度。q占空比。其定义为：,图中所示为三个周期相同（T=20ms），但幅度、脉冲宽度及占空比各不相同的数字信号。,1.2 数 制,例 将二进制数10011.101转换成十进制数。解：将每一位二进制数乘以位权，然后相加，可得(10011.101)B124023022121120121022123（19.625)D,一、几种常用的计数体制 1.十进制(Decimal)2.二进制(Binary)3.十六进制(Hexade
12、cimal)与八进制（Octal）,二、不同数制之间的相互转换 1二进制转换成十进制,例 将十进制数23转换成二进制数。解：用“除2取余”法转换:,2.十进制转换成二进制,则（23)D=（10111)B,1.3 二十进制码（BCD码）,BCD码用二进制代码来表示十进制的09十个数。,要用二进制代码来表示十进制的09十个数，至少要用4位二进制数。4位二进制数有16种组合，可从这16种组合中选择10种组合分别来表示十进制的09十个数。选哪10种组合，有多种方案，这就形成了不同的BCD码。,1.4 数字电路中的二极管与三极管,(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合
13、的开关。,一、二极管的开关特性,1二极管的静态特性,可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。,(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。,2二极管开关的动态特性,给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？,ts为存储时间，tt称为渡越时间。trets十tt称为反向恢复时间,反向恢复时间：trets十tt,产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。,同理，二极管从截止转为正向导通也
14、需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。,二、三极管的开关特性,1三极管的三种工作状态,（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IBICBO0，ICICEO0，VCEVCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压,三种工作状态比较,发射结电压死区电压,发射结正偏集电结反偏,发射结正偏集电结正偏,很大相当开关断开,可变,很小相当开关闭合,2三极管的动态特性,（1）延迟时间td从vi正跳变的瞬间开始，到iC上升到 0.1ICS所需的时间（2）上升时间triC从0.1ICS上升到0.9ICS所需的
15、时间。（3）存储时间ts从vi下跳变的瞬间开始，到iC下降到0.9ICS所需的时间。（4）下降时间tfC从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。,开通时间ton=td+tr关断时间toff=ts+tf,一、基本逻辑运算,设：开关闭合=“1”开关不闭合=“0”灯亮，L=1 灯不亮，L=0,1.5 基本逻辑运算,与逻辑只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这件事情才会发生。,1与运算,与逻辑表达式：,2或运算,或逻辑表达式：LA+B,或逻辑当决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，这件事情就发生。,3非运算,非逻辑表达式：,非逻辑某事情发生与否，仅取决于一个条件，而且是对该条件
16、的否定。即条件具备时事情不发生；条件不具备时事情才发生。,二、其他常用逻辑运算,2或非 由或运算和非运算组合而成。,1与非 由与运算 和非运算组合而成。,3异或,异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。,异或的逻辑表达式为：,1.6 逻辑函数及其表示方法,解：第一步：设置自变量和因变量。第二步：状态赋值。对于自变量A、B、C设：同意为逻辑“1”，不同意为逻辑“0”。对于因变量L设：事情通过为逻辑“1”，没通过为逻辑“0”。,一、逻辑函数的建立,例 三个人表决一件事情，结果按“少数服从多数”的原则决定，试建立该逻辑函数。,第三步：根据
17、题义及上述规定 列出函数的真值表。,一般地说，若输入逻辑变量A、B、C的取值确定以后，输出逻辑变量L的值也唯一地确定了，就称L是A、B、C的逻辑函数，写作：L=f（A，B，C）,逻辑函数与普通代数中的函数相比较，有两个突出的特点：（1）逻辑变量和逻辑函数只能取两个值0和1。（2）函数和变量之间的关系是由“与”、“或”、“非”三种基本运算决定的。,本章小结,1数字信号在时间上和数值上均是离散的。2数字电路中用高电平和低电平分别来表示逻辑1和逻辑0，它和二进制数中的0和1正好对应。因此，数字系统中常用二进制数来表示数据。3常用BCD码有8421码、242l码、542l码、余3码等，其中842l码使用最广泛。4在数字电路中，半导体二极管、三极管一般都工作在开关状态，即工作于导通（饱和）和截止两个对立的状态，来表示逻辑1和逻辑0。影响它们开关特性的主要因素是管子内部电荷存储和消散的时间。5逻辑运算中的三种基本运算是与、或、非运算。,
