关于芯片的基础知识.docx

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1、高中物理教科书为什么在“面向现代化问题上后退了从一道高考题看关于芯片的根底知识最近令人瞩目的中美贸易大战以美国对中国企业“华为的制裁为开端，美国以华为与伊朗做生意为借口，断绝对华为的芯片出口，致使华为险遭灭顶之灾，这是为什么呢？因为芯片是、电脑等的核心元件，芯片技术是、电脑等的核心技术。那么，什么是芯片呢？这要从半导体谈起。关于半导体及二极管，三极管和集成电路的知识，高中？物理?教科书曾经有所介绍，那是1980年代初期，“文革后刚恢复高考不久，邓小平提出“教育要面向世界，面向未来，面向现代化由教育部统编的教材有关于半导体、二极管、三极管和集成电路的介绍，当年的高考物理试题也有所涉及。可惜的是，

2、从1990年代开始教材的“改革，把这局部内容“改革掉了。从一道高考物理题谈起：我在研究从1978年恢复被文革中断的高考到今年40年来高考物理试题的开展和变化的时候，翻阅？中国高考真题全编1978-2019）?这本书，看到1981年全国高考物理试卷第三大题第13）小题：（3）用万用电表电阻挡判断一只PNP型晶体三极管的基极时，电表指针的偏转情况如下列图所示.哪只管脚是基极？我是这样解析的：把PNP三极管看做两个二极管，如下列图：它有三个管脚a,b,c,根据二极管的单向导电性，a、b之间和c、b之间应该是小电阻。根据万用电表之欧姆表原理，应该电流从红表笔进，黑表笔i出，也就是黑表笔接的是万用表内电

3、池的正极。再看题图之小电阻的是最后两个图，在这两个图中，接红表笔的都是3,所以3是基极。翻开答案一看，果然是3.说明我还没有忘记。我敢说，这道题虽然不难，当今的高中生、高考生没有一个会的，为什么？因为当前的课程标准教科书都对此知识没有谈及。这道题需要哪些物理根底知识呢？一、什么是半导体？半导体semiconductor,指常温下导电性能介于导体（conductor与绝缘体insu1ator之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济开展的角度来看，半导体的重要性都是

4、非常巨大的。今日大局部的电子产品，如计算机、移动或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、错、神化钱等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。二、半导体的分类半导体半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。错和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第I和第V族化合物神化钱、磷化钱等、第和第V1族化合物硫化镉、硫化锌等、氧化物镒、格、铁、铜的氧化物），以及由m-V族化合物和n-Vi族化合物组成的固溶体钱铝神、钱神磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。半导体的分类，按照其制造技术可以分为：

5、集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑ic、模拟ic、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、1SKV1S1超大1SI及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。三、半导体的导电机理自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。空穴电流：自由电子按一定的方向依次填补空穴即空穴也产生

6、定向移动，形成空穴电流。本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。载流子：运载电荷的粒子称为载流子。导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。本征半导体导电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。四、P型半导体和N型半导体P型半导体：在纯洁的硅晶体中掺入三价元素如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。多数载流子：P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，称为多数载流子，简称多子。少数载流子：P型半导体中，自由电子为少数载流子，简称少子。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。P型半导体的导电

7、特性：它是靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子空穴的浓度就越高，导电性能也就越强。N型半导体：在纯洁的硅晶体中掺入五价元素如磷，使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导体。多子：N型半导体中，多子为自由电子。少子：N型半导体中，少子为空穴。施主原子：杂质原子可以提供电子，称施主原子。N型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子自由电子的浓度就越高，导电性能也就越强。结论：多子的浓度主要决定于杂质浓度。少子的浓度主要决定于温度。五、PN结一半导体二极管PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，PN结的形成过程在它们的交界面就形成PN结。PN结的形成过程：如下图，在无外电场和其它激发作用下

8、，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而到达动态平衡，形成PN结。扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。空间电荷区：由于扩散运动使得PN结交界面产生一片复合区域，可以说这里没有多子，也没有少子。因为刚刚扩散过来就会立刻与异性复合，此运动不断发生着。P区一侧出现负离子区，N区出现正离子区，它们根本上是固定的，称为空间电荷区。电场形成：空间电荷区形成内电场。空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。电位差：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho,电流

9、为零。耗尽层：绝大局部空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。PN结的特点：具有单向导电性。根据二极管的伏安特性，二极管可以用来整流、检波等，在半导体收音机等中有广泛的应用。六、半导体三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体根本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三局部，中间局部是基区，两侧局部是发射

10、区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。理论原理晶体三极管以下简称三极管按材料分有两种：错管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和错PNP两种三极管，其中，N是负极的意思代表英文中Negative，N型半导体在高纯度硅中参加磷取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而P是正极的意思Positive是参加硼取代硅，产生大量空穴利于导电。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结

11、，三条引线分别称为发射极e(Emitterk基极b(BaSe)和集电极C(Co11ector)o如上图所示当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源EC要高于基极电源Eb。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子电子及基区的多数载流子空穴很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流根本上是电子流，这股电子流称为发射极电流子。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子

12、大局部越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic,只剩下很少1-10%的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ib0.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib,就可以在集电极上得到一个较大的Ic,这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：B1=IcIb式中：B1一称为直流放大倍数，集电极电流的变化量与基极电流的变化量AIb之比为：B二IcIb式中B一称为交流电流放大倍数，由于低频时BI和B的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，B值约为几十至一百多。Ct1=IcIe(Ic与Ie是直

13、流通路中的电流大小)式中：也称为直流放大倍数，一般在共基极组态放大电路中使用，描述了射极电流与集电极电流的关系。=1c1e表达式中的为交流共基极电流放大倍数。同理与在小信号输入时相差也不大。对于两个描述电流关系的放大倍数有以下关系三极管的电流放大作用实际上是利用基极电流的微小变化去控制集电极电流的巨大变化。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常通过电阻将三极管的电流放大作用转变为电压放大作用。放大原理1、发射区向基区发射电子电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子)不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数

14、载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。2、基区中电子的扩散与复合电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流瓦。也有很小一局部电子因为基区很薄与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。3、集电区收集电子由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子空穴也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，

15、用ICbe)来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。半导体与集成电路的关系半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。我们知道，电路之所以具有某种功能，主要是因为其内部有电流的各种变化，而之所以形成电流，主要是因为有电子在金属线路和电子元件之间流动运动/迁移。所以，电子在材料中运动的难易程度，决定了其导电性能。常见的金属材料在常温下电子就很容易获得能量发生运动，因此其导电性能好；绝缘体由于其材料本身特性，电子很难获得导电所需能量，其内部很少电子可以迁移，因此几乎不导电。而半导体材料的导电特性那么介于这两者之间，并且可以通过掺入杂质来改变其导电性能，人为控制它导电或者不导电以及导电的容易程度。这一点称之为半导体的可掺杂特性。前面说过，集成电路的根底是晶体管，创造了晶体管才有可能创造出集成电路，而晶体管的根底那么是半导体，因此半导体也是集成电路的根底。半导体之于集成电路，如同土地之于城市。很明显，山地、丘陵多者不适合建造城市，沙化土壤、石灰岩多的地方也不适合建造城市。“建造城市需要选一块好地，“集成电路也需要一块适宜的根底材料一一就是半导体。常见的半导体材料有硅、错、神化钱化合物），其中应用最广的、商用化最成功的当推“硅。那么半导体，特别是硅，为什么适合制造集成电路呢？有多方面的原因。硅是地壳中最丰富的元素，仅次于