X002-习题课解答-清华大学-电子电路与系统基础

电子电路与系统基础习题课第二讲电子学基础（物质、价电子、半导体、PN结二极管）李国林清华大学电子工程系电子学基础大纲•物质基础附录12–原子模型–价电子–物质分类•导体、半导体、绝缘体•半导体基础附录14•PN结二极管附录14•半导体二极管分类附录15清华大学电子工程系2013年春季李国林电子电路与系统基础21.1物质实体物质场物质基本特性质量具有质量没有质量能量共性从能量角度看，两者等同物质（能量）不能消灭，只能转化，能量守恒区别空间占据占据空间不容其他实体物质进入可进入其他物质占据空间，具有可叠加性粒子原子光子清华大学电子工程系2013年春季2mcEhfE电路器件由实体物质构成，实体物质和进入实体物质的电磁场相互作用，交换能量，使得器件中的电场和磁场具有某种关系，这种关系在器件端口的表象（端口电压、电流关系）被称为是电路器件的电特性，称为元件约束条件3李国林电子电路与系统基础原子核外的电子•原子（atom）由原子核（atomnucleus）和围绕原子核运动的电子（electron）构成•核外电子分层排布，其排布规律为–第n层轨道最多排2n2个电子，最外层不超过8个•次外层不超过18个，…清华大学电子工程系2013年春季元素原子序数电子数目第1层第2层第3层第4层Cu铜2928181Si硅14284O氧826Ne氖1028李国林电子电路与系统基础41.2价电子•原子最外层的电子称为价电子–valenceelectron•价电子数目决定了原子物理化学稳定性–价电子数目最多为8，当价电子数目为8时，其物理化学性质是稳定的：惰性气体–价电子数目不是8时，其最外层的价电子可能脱离轨道，成为自由电子（freeelectron），留下带正电的正离子；最外层的价电子层也有可能获得外界电子，成为带负电的负离子•自由电子可认为是在物质内部空间可自由移动的电子清华大学电子工程系2013年春季李国林电子电路与系统基础51.3导体•导体conductor–原子的价电子数为1、2、3时，价电子易于脱离价电子层轨道成为自由电子。由于有大量的自由电子存在，这些物质很容易导电：如金属，都是导体，包括Cu，Au，…•导电因自由电子的移动–离子键（ionicbond）化合物在溶液中溶解后，有可移动的正、负离子存在，也可导电•离子键：阴阳离子通过静电作用形成的化学键•因溶液中正负离子的移动而形成导电导电：具有可移动的带电粒子ElectricalconductionCu29：2，8，18，1Ag47：2，8，18，18，1Au79：2，8，18，32，18，1Fe26：2，8，14，2Zn30：2，8，18，2Al13：2，8，3李国林电子电路与系统基础6绝缘体•绝缘体insulator–元素原子价电子数为5、6、7时，价电子和原子核联系紧密，元素之间易形成共价键（covalentbond），价电子很难脱离原子核成为自由电子，故而这些物质不容易导电：如O，S，…•共价键：原子间通过共用电子形成的化学键–绝缘体指那些物理化学性质很稳定的物质，包括惰性气体–不容易导电的化合物，也是绝缘体：如玻璃（主要成分SiO2）、橡胶清华大学电子工程系2013年春季N7：2，5O8：2，6F9：2，7Ne10：2，8李国林电子电路与系统基础7半导体•半导体Semi-conductor–元素原子价电子数为4时，其稳定性和导电性介于导体和绝缘体之间：如Si，Ge都是半导体元素–半导体原子之间以共价键连接•本征半导体指纯净的半导体晶体–T=0K，没有外界影响情况下，价电子被束缚在共价键中，此时半导体不导电清华大学电子工程系2013年春季+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4Si14：2，8，4Ge32：2，8，18，4李国林电子电路与系统基础8电子、空穴导电•环境温度升高，或者半导体晶体受到光照，价电子将获得能量，挣脱共价键束缚，成为自由电子，留下的空位称为空穴（hole）•自由电子带一个负电荷，离开电子轨道后，原子带一个正电荷，可认为这个正电荷就是空穴所带的电荷•空穴带正电荷，很容易吸引邻近共价键中的电子填补这个空穴，效果是空穴移动了，相当于正电荷移动–自由电子、空穴均可移动•在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电子电流，空穴移动形成空穴电流–本征半导体中的电流是这两种电流之和清华大学电子工程系2013年春季+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4李国林电子电路与系统基础9电导率conductivity•电导率是描述材料导电性能的一个参数，导体导电率最大，半导体次之，绝缘体最小材料电导率S/m备注银Silver6.30107导电率最好的材料铜Copper5.80107最常用导体材料，价格低金Gold4.52107不易腐蚀，PAD焊接点常用碳Carbon~3105石墨海水SeaWater4.8盐分35g/kg，20C硅Silicon~10-3最常见的集成电路基片FR40.004常见PCB板介质材料，1GHz玻璃glass10-7~10-13主要成分SiO2空气Air0.3~0.810-14硫sulfur510-16无定形硫聚四氟乙烯teflon~10-23电缆常用介质材料10电子导电性和空穴导电性•mobility：迁移率–对带电离子在物质内部移动能力的一个参量•Conductivity：电导率清华大学电子工程系2013年春季eenehhpehepnen：电子浓度p：空穴浓度sVmsVmhe2205.0,13.0李国林电子电路与系统基础11Ev速度=迁移率*电场强度电路基材－导体、绝缘体•电路器件是由导体、半导体和绝缘体构成的某种结构，这种结构和叠加其中的电磁场相互交换能量，形成器件的电特性–端口电压电流所具有的关系为该器件的电特性•导体是所有器件中都必须用的材料，这是由于电路器件中的传导电流必须通过导体流通，电路器件的连接端口、导线或传输线都是导体连接关系–绝大多数为金属导体材料•绝缘体用于支撑导体和半导体材料，使得它们不至于接触，从而形成需要的器件结构。同时绝缘体和电磁场也相互作用，对器件的电特性有重要影响李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季12电路基材－半导体•半导体是最重要的电路元件晶体管的基材•半导体被作为晶体管基材的根本原因在于半导体的电子、空穴浓度是可控的，从而它的导电性能可控，于是可以通过调控半导体材料的导电性来实现晶体管的受控特性–外界供能：温度变化、光照–掺杂：调节电子浓度或空穴浓度•不同掺杂半导体连接关系，形成非线性特性–PN结，BJT–通过电容结构，极板累积电荷调控半导体导电特性•MOSFET李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季13电子学基础大纲•物质基础–原子模型、价电子、物质分类•半导体基础–电子与空穴–N型半导体与P型半导体•PN结二极管•半导体二极管分类李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季14半导体•硅Si、锗Ge，砷化镓GaAs，碳化硅SiC等是最常用的半导体材料•硅Si、锗Ge原子有四个共价电子•硅原子通过共价键结合为硅晶体李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季15+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子与空穴李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季1614原子核第一能带第二能带价带导带绝对零度：-273.15C14原子核第一能带第二能带价带导带室温：25C电子空穴对•室温下，本征半导体中由于存在自由电子和空穴，因而可以导电•热能使得电子和空穴随时产生，但同时也伴随着复合电子电流和空穴电流•在一片硅晶体两端施加电压（电场）后–导带内的电子反电场方向移动，形成电子电流electroncurrent–价带内有空穴，空穴邻近的价带电子受到电场作用，反电场方向移动到空穴位置，在原位置形成新的空穴，犹如空穴在价带朝电场方向运动，故而称其为空穴电流holecurrent•并非空穴在移动，而是电子在价带移动，电子移动形成新的空穴–晶体内的总电流为电子电流和空穴电流之和17+4+4+4+4+4+4+4+4电场+4+4+4+4+4+4+4+4纯净半导体•纯净半导体中，自由电子数目少，其本征状态对导电没有太大用处–电导率直接取决于自由电子数目李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季18电子完全填充空价带导带空穴自由电子价带导带价带导带绝缘体能级半导体能级导体能级能带交叠能隙大hepne能隙小掺杂半导体•纯净半导体导带自由电子数目很少，导电性不好–纯净半导体空穴数目和自由电子数目一样的少•可以通过掺杂（doping）的方法，即向本征半导体内添加杂质，使得其内部自由电子数目或者空穴数目增加，从而提高其导电性–如果掺杂半导体内的空穴数目多于自由电子，则称为P型半导体（Positive）–如果掺杂半导体内的自由电子数目多于空穴，则称为N型半导体（Negative）李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季19hepnenppnN型半导体•要想让掺杂半导体内的自由电子数目多于空穴，则添加五价（pentavalent）杂质原子–拥有5个价电子：砷As，磷P，锑Sb•可提供一个电子，故被称施主（donor）–调整掺杂浓度实现电导率的调整李国林电子电路与系统基础+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4电子是多数载流子，称为多子：majoritycarrier空穴是少数载流子，称为少子：minoritycarrier清华大学电子工程系2013年春季20eneP型半导体•要想让掺杂半导体内的空穴数目多于自由电子，则添加三价（trivalent）杂质原子–拥有3个价电子：铝Al，硼B，镓Ga，铟In•可接受一个电子，故被称为受主（acceptor）–调整掺杂浓度实现电导率的调整李国林电子电路与系统基础+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴是P型半导体中的多子电子是P型半导体中的少子清华大学电子工程系2013年春季21hpe电子学基础大纲•物质基础–原子模型、价电子、物质分类•半导体基础–电子与空穴、N型半导体与P型半导体•PN结二极管–PN结形成–二极管特性–非线性描述–简化电路模型•半导体二极管分类李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季223.1PN结形成•当P型半导体和N型半导体接触后，接触面附近则会形成PN结（PNJunction），并可因此形成二极管（diode）特性李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季23内建电场P型半导体电中性N型半导体电中性耗尽区Depletionregion平衡Equilibrium•扩散diffusion–载流子从高浓度区向低浓度区扩散•浓度差导致势差，产生了力，推动载流子运动李国林电子电路与系统基础24PNE空穴浓度电子浓度空穴扩散空穴漂移电子扩散电子漂移耗尽区Depletionregion低阻区高阻区低阻区内建电场•漂移drift–在电场作用下，电荷运动•电场导致电势差，产生了力，推动电荷运动内建电位差•内建电场意外着内建电位差V–温度为25C时•硅PN结V0.5~0.7V•锗PN结V0.2~0.3V李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季25PN空穴浓度电子浓度耗尽区EV势垒电压正向偏置forwardbias李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季26R限流电阻PN正偏导通•正向偏置电压克服内建电位差对多子扩散的阻力，使得多子在耗尽区的扩散得以继续•在电源电动势作用下，从电源负极流出的电子，经导线流入N区，经过N区（低阻区），到达结区，电子扩散通过结区，和P区的多子空穴复合•P区端点每流出一个电子，P区内就生成一个空穴，该空穴在电