数字电子电路-Read课件.ppt
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1、数字电子电路,唐竞新 二零零三年,绪 论,一、研究对象及应用领域二、器件发展概况三、模拟、数字电子电路的异同四、课程要求五、本学期教学进度六、参考书籍,一、研究对象及应用领域,研究对象:器件、电路及系统应用领域:通讯 Communication 控制 Control 计算机 Computer 文化生活 Cultural life,二、器件及发展概况,Diode 1904(1911)Transistor 1948(1951)SSI(Small Scale Integration)1960 MSI(Medium Scale Integration)1966 LSI(Large Scale Inte
2、gration)1969 VLSI(Very Large Scale Integration)1975 1976年 Single Chip Computer问世 MCS-48系列(1976年)MCS-51系列(1980年)96系列(1983年)12万元器件/片,三、模拟及数字电子电路的异同点,四、课程的要求,理论课与实践课并重课内与课外的结合,学时比 1:2,五、本学期的教学进度,六、参考书籍,数字电子电路 清华大学 唐竞新 清华出版社数字电子技术基础(数字部分)清华大学 阎 石主编 高教出版社电子技术基础 华中理工 康华光 高教出版社数字电子技术解题指南 清华大学 唐竞新 清华出版社,半导体
3、器件基础,1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 稳压管1.4 半导体三极管,半导体器件基础,重点内容:PN结原理 二极管特性(伏安特性)三极管特性,1.1 半导体基础知识,一、本征半导体 典型材料 硅 Si 锗Ge 序数 14 32 核外电子层排列 2.8.4 2.8.18.4 最外层电子数 4 4,原子模型:内层原子核和外层电子组成,Si Ge电子分层排列、占据不同的能级电子获足够能量跃迁,由内层向外层(能量低)(能量高)原子形成晶体时,能级分裂成能带,2,2、晶体结构,原子形成晶体时,以共价键的形式出现。以硅晶体为例 最外层4个电子和 相邻的其他4个原子 的最外层各一个电子 形
4、成共价键结构。,共价键上的电子获取足够的能量能脱离轨道的束缚,成为自由电子,而在其原有的位置处留下“空穴”。电子、空穴成对出现。在室温条件下,能跃迁的电子数量很少。,3、能带图,能带由大量的能级构成,相邻的能级能量差极小可近似 看作连续的。能带与能带之间存在禁带,禁带宽度用 表示。,禁带宽度 硅 锗 1.21eV 0.785eV 0 1.1eV 0.71eV 300,4、载流子数量,纯净半导体 0 时,价带中充满电子(满带)导带中无电子(空带),本征半导体中载流子的数量(浓度:载流子数/单位体积)K:波尔茲曼常数,5、本征半导体特点,本征半导体中有两种不同的导电机构(电子、空穴)电子、空穴成对
5、出现,温度升高 本征半导体导电性能很差。300 K时,其导电性比铜差 倍提高其导电性能的途径掺杂。,二、掺杂半导体,五价元素:砷(As),锑(Sb),磷(P)N型(施主型)三价元素:镓(Ga),硼(B),铝(Al)P型(受主型),1.晶体结构图,N型 P型,2.能带图,价带,导带,价带,导带,i,E,i,E,G,E,G,E,1.1,0.044,G,i,E ev,E ev,=,=,1.1,0.045,G,i,E ev,E ev,=,=,300,K,3.多数载流子、少数载流子,对N型半导体而言,多数载流子为电子,简称多子;少数载流子为空穴,简称少子对P型半导体而言,多数载流子为空穴;少数载流子为电
6、子,半导体多子,少子的表示,多子,少子的数量 随着掺杂的增加,多子和少子的数量差异加大,通常多子远大于少子,但是两者的乘积满足 P型 N型 和 为本征半导体中空穴和电子的数量,4、掺杂半导体的特点,含有多数载流子和少数载流子两种导电粒子多子和少子的乘积在温度一定时为常数,且和本征半导体中电子和空穴的乘积相等掺杂半导体,不管是P型还是N型,均呈电中性掺杂提高了半导体的导电性能,三、PN结原理,扩散,漂移运动空间电荷层正向偏置下空间电荷层反向偏置下空间电荷层电容效应,1、扩散、漂移运动,由载流子浓度差异引起的运动称扩散由电场作用引起的载流子运动称漂移 以PN结为例 侧空穴向N侧扩散 N侧电子向 侧
7、扩散,右侧带正电,左侧带负电,空间层层内有一个右指向左的内建电场内建场方向由N指向,其作用将阻碍多数载 流子的渡越,却能将空间电荷层中的少子(区中的电子,N区中的空穴)扫向另一侧。动态平衡:当由浓度差异引起的扩散运动和由内建场存在引起的漂移运动趋于平衡时,N结界面两侧的载流子的浓度不再发生变化,称为动态平衡。,2、空间电荷层,空间电荷层特点:是一个高阻抗的离子层。中 侧带负电,N侧带正电,正、负电总量相等,故 量呈电中性。对 结来说,,因此 主要展 向N区一侧 中内建场的方向由N指向,3、正向偏置的空间电荷层,,为平衡条件下多子,少子的数量,多子渡越进入界面另一侧后,随距离增加,逐渐下降,可近
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