静电理论与电流电压特性
电学的知识点总结
电学的知识点总结电学是物理学的一个重要分支，研究电荷、电流和电场的运动、分布和相互作用规律以及电路中电能的转换和传输。
电学知识在现代科技和工程中有着广泛的应用，涉及到电磁场、电子学、通信技术、电力系统等多个领域。
本文将对电学的基本概念、电路理论、电磁场理论、电力系统等方面进行总结。
1. 电学基本概念1.1 电荷：电荷是物质固有的一种性质，有正负之分。
同种电荷相互之间呈现排斥作用，异种电荷相互之间呈现吸引作用。
1.2 电流：电荷在导体内部或者电介质中运动形成的现象称为电流。
电流的大小与电荷量及电流通过的横截面积有关。
1.3 电压：两点之间的电势差称为电压，通常用V来表示，单位为伏特（V）。
电压是电路中电能转换的动力源。
1.4 电阻：电阻是电路对电流流动的阻碍，用来限制电流大小。
电阻的大小与电路材料、长度和横截面积有关。
1.5 电功率：电功率是单位时间内电路中电能转换的速率，通常用P来表示，单位为瓦特（W）。
2. 电路理论2.1 电路基本元件：电路中的基本元件包括电源、电阻、电容和电感等。
电源提供电压源，电阻限制电流，电容存储电荷，电感存储磁能。
2.2 阻抗和复频域分析：阻抗是交流电路中对电流和电压关系的描述，是电流和电压的复数比值。
复频域分析是一种用复数代表电路中电流和电压的方法，简化了计算过程。
2.3 电路定律：基尔霍夫定律、欧姆定律和楞次定律是电路理论中的重要定律，可以解决电路中的电流、电压和功率的计算问题。
2.4 交流电路分析：交流电路中的电流和电压是随时间变化的，需要用复数表示，通过电流和电压的相位和幅值来分析电路性能和功率传输。
2.5 电路变换和等效电路：可以通过电路变换和等效电路的方法简化复杂电路的分析和设计，减少计算的工作量和复杂度。
3. 电磁场理论3.1 静电场和静磁场：静电场是由静止电荷产生的电场，静磁场是由静止电流产生的磁场，它们分别是电学和磁学的基础。
3.2 麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组是描述电磁场的方程，包括高斯定律、法拉第定律和安培定律，它们成为电磁场理论的基础。
物理学中的电学基础知识
物理学中的电学基础知识物理学中的电学基础知识涵盖了电荷、电场、静电力、电流、电阻、电势和电容等重要概念。
这些知识是电学领域的基石，对于理解电力、电子技术和电磁现象至关重要。
本文将从理论和实践两个方面介绍电学基础知识，帮助读者全面理解和应用这些概念。
一、电荷电荷是物质带有的一种基本属性，可以分为正电荷和负电荷。
两种相同电荷互相排斥，而不同电荷相互吸引。
电荷的单位是库仑（C）。
二、电场电场是由电荷产生的一种物理现象。
任何一个电荷都会在其周围形成一个电场，它具有方向和强度。
电场的强度用电场强度表示，单位是牛顿/库仑（N/C）。
三、静电力当两个带有电荷的物体之间存在电场时，它们之间会产生静电力。
根据库伦定律，静电力的大小与电荷的乘积成正比，与物体之间的距离的平方成反比。
静电力通常用牛顿（N）表示。
四、电流电流是电荷流动的现象，通常由带电粒子在导体中的运动引起。
电流的单位是安培（A），定义为单位时间内通过导体横截面的电荷量。
根据欧姆定律，电流与电压和电阻成正比。
五、电阻电阻是阻碍电流流动的物理特性，形成电路中的阻力。
电阻的大小由电阻值决定，单位是欧姆（Ω）。
根据欧姆定律，电流和电压满足线性关系，其中电阻是比例常数。
六、电势电势是描述电场能量分布的物理量。
电势差是指电场中两点之间电势的差异，单位是伏特（V）。
电势差与电场强度和距离之间的关系由电势能公式给出。
七、电容电容是指储存电荷的能力，常用电容器来实现。
电容的大小由电容值决定，单位是法拉（F）。
电容器的电荷量与电压满足线性关系，其中电容是比例常数。
八、应用与实践电学基础知识在现实生活和科技领域有着广泛的应用。
电路理论和分析方法帮助我们设计和维护各种电器设备。
电子技术的发展离不开对电学基础知识的深入理解。
电磁感应、电动力学和电磁波等电学现象的研究推动了通信、能源和传输技术的进步。
总结物理学中的电学基础知识是理解电力和电子技术的基石。
通过掌握电荷、电场、静电力、电流、电阻、电势和电容等概念，可以更深入地了解电学现象并将其应用到实际问题中。
静电保护（ESD）原理和设计
静电保护（ESD）原理和设计⼀直想给⼤家讲讲ESD的理论，很经典。
但是由于理论性太强，如果前⾯那些器件理论以及snap-back理论不懂的话，这个⼤家也不要浪费时间看了。
任何理论都是⼀环套⼀环的，如果你不会画鸡蛋，注定了你就不会画⼤卫。
静电放电(ESD: Electrostatic Discharge)，应该是造成所有电⼦元器件或集成电路系统造成过度电应⼒(EOS: Electrical Over Stress)破坏的主要元凶。
因为静电通常瞬间电压⾮常⾼(>⼏千伏)，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。
所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。
静电，通常都是⼈为产⽣的，如⽣产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在⼈体、仪器或设备中，甚⾄元器件本⾝也会累积静电，当⼈们在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电⼦元件或系统遭到静电放电的损坏(这就是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在⼯作桌上，防⽌⼈体的静电损伤芯⽚)，如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产⽣剧烈的闪电，会把⼤地劈开⼀样，⽽且通常都是在⾬天来临之际，因为空⽓湿度⼤易形成导电通到。
那么，如何防⽌静电放电损伤呢？⾸先当然改变坏境从源头减少静电(⽐如减少摩擦、少穿⽺⽑类⽑⾐、控制空⽓温湿度等)，当然这不是我们今天讨论的重点。
我们今天要讨论的时候如何在电路⾥⾯涉及保护电路，当外界有静电的时候我们的电⼦元器件或系统能够⾃我保护避免被静电损坏(其实就是安装⼀个避雷针)。
这也是很多IC设计和制造业者的头号难题，很多公司有专门设计ESD的团队，今天我就和⼤家从最基本的理论讲起逐步讲解ESD保护的原理及注意点，你会发现前⾯讲的PN结/⼆极管、三极管、MOS管、snap-back全都⽤上了。
正向导通反向截⽌(不记得就去翻前⾯的课程)，⽽且反偏电压继续增加会发⽣雪崩击穿(Avalanche Breakdown)⽽导通，我以前的专题讲解PN结⼆极管理论的时候，就讲过⼆极管有⼀个特性：正向导通反向截⽌们称之为钳位⼆极管(Clamp)。
电气专业面试知识点整理
电气专业面试知识点整理一、基础理论知识1.电磁场理论：包括静电场、静磁场、交流电场、交流磁场等基础理论知识。
2.电路理论：包括电阻、电流、电压、功率、电阻定律、电容、电感等基础电路理论知识。
3.信号与系统：包括信号的时域、频域分析，系统的时域、频域响应等基础知识。
4.控制理论：包括反馈控制系统的基本原理、稳态误差分析、根轨迹法、频率响应法等基础控制理论。
5.电机理论：包括电动机的基本原理、电动机的转矩、速度、位置的控制方法等基础电机理论。
6.电力系统理论：包括电力系统的组成、运行原理、电力负载特性等基础电力系统理论。
二、电气设备与电气工程知识1.变压器：包括变压器的基本工作原理、主要构造、调压变压器、自耦变压器等变压器相关知识。
2.发电机：包括发电机的基本工作原理、主要构造、调速方法、励磁系统等发电机相关知识。
3.高压电器：包括高压断路器、隔离开关、电容器、避雷器等高压电器设备的基本原理、主要构造、工作特性等相关知识。
4.低压电器：包括电控柜、接触器、继电器、变频器等低压电器设备的基本原理、主要构造、工作特性等相关知识。
5.光伏发电：包括光伏电池的工作原理、光伏系统的设计、并网逆变器等光伏发电相关知识。
6.输配电系统：包括配电房设备、电缆、开关设备、自动化装置等输配电系统的设计、故障诊断等相关知识。
7.安全用电：包括低压配电系统的安全用电知识、电气设备的检测与维护等相关知识。
三、电气自动化与控制知识1.自动控制系统：包括自动控制的基本概念、控制系统的建模与仿真、控制系统的设计与评估等相关知识。
2. PLC编程：包括PLC的基本原理、PLC编程语言（Ladder Diagram、Instruction List等）、PLC程序的设计与调试等相关知识。
3. 工控网络：包括以太网、CAN总线、Modbus等工控网络的基本原理、通信协议、网络拓扑结构等相关知识。
4.机器视觉：包括相机原理、图像处理、模式识别等机器视觉的基本原理与应用知识。
静电理论及防护讲课提纲
上海市物理学会静电专业委员会秘书长 李学文博士 （未经允许,不得翻印）
1
第三部分、防静电基本知识
一、静电基础理论 3.1 静电与静电现象 3.1.1静电的定义及其特点
静电（Electrostatic）就是物体表面过剩和不足的静止电荷，静电是一种电 能，它留存与物体表面；静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果； 静电是通过电子和离子的转移而形成的。 静电放电现象是大家都熟悉的。当天气干燥时，用塑料梳子梳头时会产生放电 声；和毛皮摩擦之后的钢笔杆可吸引小纸屑（当电荷密度达到10－6C/m2时）；脱 下合成纤维衣服时产生噼啪声，夜间还可以看到火花（空气的击穿场强为 30kv/cm）；在日光灯、电视机屏幕、唱片、录音机磁头上易于附着灰尘等现象 。这都是我们日常生活中经常体验到的静电现象。 工业上存在的静电现象是及其广泛的，在电子、石油、塑料、合成纤维、化工 、医疗等行业频繁出现，并为人类所利用。但是，人们往往忽视静电现象的危害 方面，只是在工业生产作业中，特别是电子产品生产过程中，由于静电放电引起 了机器故障和误动作，人们才把它们当作静电危害来处理。 静电现象是电荷的产生和消失的过程中产生的电现象的总称。 静电具有以下特点：
10
3.2.1 概述
静电问题依附于物体（气、液、固体）而存在。如果物体带有过剩的电荷则成为带电体 。物体间的电荷转移过程就是起电过程，互相作用物体间的电荷转移在其界面上进行。
下面以摩擦起电为例，简单说明静电产生的过程：
静电产生的方式很多，接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等都可以产生静电。 但基本过程可归纳为：接触 电荷转移 偶电层的形成 电荷分离。
（2）静电放电（ESD）
静电放电是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使 带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。静电放电往往会对电子器件造成中，在其上感应出正或负的静电荷。静电感应电位可达数 千伏以上，这样高的静电压能对电子器件造成不良影响。
电压和静电单位换算-概述说明以及解释
电压和静电单位换算-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述电压和静电单位是电工和电子学中非常重要的概念和量度。
电压是指电力系统中电势差的表征，它是电荷在电场中的能量转化程度。
而静电是指电荷间由于电性相互作用而产生的力，它在许多物理现象和应用中扮演着重要的角色。
本文将重点介绍电压和静电单位的定义和换算。
首先，将对电压的定义进行详细说明，并介绍电压的常用单位，如伏特（V）和千伏（kV）。
然后，将对静电的定义进行解释，并介绍静电的常用单位，如库仑（C）和毫库仑（mC）。
在正文部分，将深入探讨电压和静电的关系。
电压与静电之间存在紧密的联系，因为电压是由电荷分布产生的电场引起的。
我们将讨论电压和电场强度之间的数学关系，并解释如何利用电压来控制静电。
最后，将强调单位换算的重要性。
在实际应用中，不同国家和领域使用的电压和静电单位可能不同，因此单位换算是非常关键的。
我们将介绍一些常用的单位换算公式和方法，以便读者能够在实际操作中进行准确的单位转换。
通过本文的阅读，读者将对电压和静电单位有一个更深入的理解，并能够灵活运用单位换算的方法。
电压和静电作为电工和电子学的基础，对于我们日常生活和技术领域都有着重要的意义。
因此，加深对电压和静电的认识无疑将有助于我们更好地理解和应用电学知识。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以如下编写：文章结构部分旨在介绍本文的整体架构和各个主要部分的内容概述。
本文将分为引言、正文和结论三个部分来进行探讨电压和静电单位换算的相关知识。
在引言部分，我们将对本文的主题进行概述，并介绍电压和静电单位换算的背景和重要性。
此外，我们还将明确本文的目的，即为读者提供电压和静电单位换算的相关知识和指导。
而在正文部分，我们将对电压和静电的定义和单位进行详细讲解。
在2.1节中，我们将介绍电压的定义及其常用单位，以帮助读者了解电压这一重要物理量的基本概念。
在2.2节中，我们将探讨静电的定义和单位，以便读者了解静电的本质和测量方法。
电路的基本物理量
电 流 表 的 刻 度 盘
根据量程确定每个大格和每个小格(分度值)所表示 的电流值 乙 图 量程 0-3 A 0.2 安 0.02 安 1 安 每个大格 分度值 0.1 安
甲 图 量程 0-0.6 A 每个大格 分度值
• 那么电流表使用时应注意什么呢？
调 在使 零 零用 刻前 线检 处查 指 针 是 否 指
电压、电位与电动势
电路的基本物理量
------电能与电功率
在许多电气设备中，所需要的并不是电流本身，而 是伴随着电流电压的电场能量因为电能可以转化为 热、机械能、光能、化学能等。
电 能 有 什 么 用 途 ？
电能→机械能
电能→机械能
电能→机械能
电能→热能
电能→机械能
下列各图中，电能分别转化为什么形式的能？
生产化肥0.7kg
灌溉农田330m2
采煤105kg
炼钢1.6kg
机织棉布11m
2、电功率
电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。 电功率用“P ”表示： W UIt
P
t
t
UI
国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】 电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯 表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机 1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。 用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功 率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据 上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。 通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当 实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值， 当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。
B、测量通过电流大小的仪表
电的定义和特性
电的定义和特性电是指由带电粒子（如电子、离子等）在电场中运动所产生的现象。
电的特性包括电荷、电压、电流和电阻等。
一、电荷电荷是电的基本属性，分为正电荷和负电荷。
正电荷来源于失去电子的物体，而负电荷则来源于获得电子的物体。
同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
二、电压电压是指电场力对单位正电荷所做的功，也称为电势差。
在电路中，电压通常用符号V表示，单位为伏特（V）。
电压的大小决定了电荷在电路中的运动情况，即电流的大小和方向。
电压高表示电场力强，电压低则表示电场力弱。
三、电流电流是指电荷在单位时间内通过导体横截面的数量，是电荷流动的速度。
电流通常用符号I表示，单位为安培（A）。
根据导体的不同特性，电流可以分为直流和交流。
直流电流的方向始终保持不变，而交流电流则周期性地改变方向。
四、电阻电阻是指导体抵抗电流流动的能力。
电阻通常用符号R表示，单位为欧姆（Ω）。
电阻大小与导体的物理特性有关，如导体的长度、截面积和电阻率等。
欧姆定律表明，电流和电压之间的关系可以通过电阻来描述，即I = V/R。
五、电功率电功率是指单位时间内消耗或产生的电能，是电流和电压的乘积。
电功率通常用符号P表示，单位为瓦特（W）。
电功率的大小与电流和电压的大小有关。
在电路中，通过调节电压和电流的大小可以控制电功率的输出。
六、电阻和导体特性电阻对电流的流动产生一定的阻碍，导致电能转化成其他形式的能量，如热能和光能。
因此，电阻能够起到控制电路中电流的作用。
不同物质的导体具有不同的电阻特性。
金属是常见的好导体，其电阻较低；而非金属材料则通常具有较高的电阻。
七、总结电的定义和特性是理解电学基础知识的关键。
通过了解电荷、电压、电流、电阻和电功率等相关概念，我们能够更好地理解电的运行机制以及电路中的各种现象。
电的特性在现代社会中应用广泛，包括电力传输、电子设备、通讯技术等领域。
深入理解电的定义和特性对于我们正确使用电力和维护电子设备具有重要意义。
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静电理论与电流电压特性
逆向偏壓
以陡峭接面為例：
Vbi VR
電場增加，表示空間電荷增加，空 乏區寬度也增加。
静电理论与电流电压特性
4.4 空乏（或接面）電容 （Depletion or Junction Capacitance）
逆向偏壓下，VR改變，空 乏區寬度改變，空間電荷
也改變，好像一個電容，
另x=0處之電位為零，可得電位分佈式：
静电理论与电流电压特性
静电理论与电流电压特性
4.3.2 線性漸進接面
另一個表示法，可知Vbi和a的關係
静电理论与电流电压特性
静电理论与电流电压特性
静电理论与电流电压特性
非平衡狀態—順向偏壓以及逆向偏壓
静电理论与电流电压特性
逆向偏壓
静电理论与电流电压特性
（通常小於 1V）
（由數V到數千V）
逆向崩潰
静电理论与电流电压特性
4.2.1 PN接面的能帶圖
可得：
將兩個拉到同一條線
n型區的電子擴散至p型區需
（EF為定值）
通過一個位勢障；同理， p 型區的電洞擴散至n型區也需
通過一個位勢障 静电理论与电流电压特性
空乏區（Depletion）的形成
空間電荷區（又稱為空乏區）
Figure 4.1. (a) A bare n-type
Si wafer. (b) An oxidized Si
wafer by dry or wet oxidation.
(c) Application of resist.
(d) Resist exposure through
the mask.
静电理论与电流电压特性
電子變少，故此區為帶正電 內建位勢障
趨近
静电理论与电流电压特性
Poisson’s equation
用來表示空間電荷與靜電位的關係（假設施體與 受體離子均游離：
d d 2 2x d d xs sq s(N D N Apn )
在中性區，空間電荷為零， 常數。
d 2 dx 2 0
， 即為
静电理论与电流电压特性
(a) 圖 稱 為 陡 峭 接 面 (abrupt junction)
(b)圖稱為線性漸進接 面 (linearily graded junction)。
静电理论与电流电压特性
4.3.1陡峭接面(abrupt junction)之空間 電荷區的電場分析
空間電荷區的Poisson方程式：
又要遵守電荷守恆：
Figure
4.2
(a) The wafer after the
development. (b) The
wafer after SiO2 removal. (c) The final
result after a complete
lithography process.
(d) A p-n junction is
静电理论与电流电压特性
4.4.2 雜質分佈估算 d V (d)W E (d s)Q W q(W N )d s W W q(W N 2 )sd2 W
Nx N x 静电理论与电流电压特性
Ap
Dn
內建電位的估算
電場位置關係 圖的斜率等於 電荷，所以為 常數，電場關 係圖為斜直線
静电理论与电流电压特性
電位與位置關係圖的斜 率等於電場的負值，故 圖形斜率均為正，且先 增後減，所以為先上凹 再下凹。
空間電荷區的寬度
因
代入前式可得
又空間電荷區寬度為
静电理论与电流电压特性
formed in the diffusion
ห้องสมุดไป่ตู้
or implantation process.
(e) The wafer after
metalization. (f) A p-n
junction after the
compete process.
静电理论与电流电压特性
4.2 熱平衡狀態
整流特性：順向偏壓導通，逆向偏壓不通。
單邊接面（one-sided abrupt junction ）
一邊的摻雜濃度遠大於另 一邊。例如NA>>ND，則 空間電荷區幾乎全落在n 型區，此時W約等於xn。
輕摻雜濃度
在x=w處，電場降為零，代入上式可得
静电理论与电流电压特性
單邊接面（one-sided abrup junction ）續
其對應的單位面積電容值
為：
Cj
dQ dQ s
dV W dQ W
s
Cj
s F/cm2
W
面積為
好像平行板電容器的電容静值电理论公与电式流电压特性
接面電容（以p+n單邊接面為例）
以(1/C)2對VR做圖為一斜直線， 其中由斜率可求得低濃度區的摻 雜濃度，而x截距可得Vbi。 同理，線性漸進接面的情形下，空乏區寬度與濃度梯度a的三次方有 關，故以(1/C)3對VR做圖，其静斜电理率论与可电流求电压得特性 a，而x截距可得Vbi。
CHAP4 PN接面………
靜電理論與電流電壓特性
静电理论与电流电压特性
PN接面（Junction）
將p型半導體與n型半導體相接處會形成pn接面。 在許多電子元件：雙載子電晶體、閘流體、金氧半電晶體、
微波元件、光電元件等都有pn接面的存在
静电理论与电流电压特性
4.1 基本製程步驟
包含氧化、微影、離子佈 植和金屬鍍膜。
會達平衡
會達平衡
静电理论与电流电压特性
熱平衡狀態………淨電子及電洞電流為零
Dp (kT/q)p
pnie(EiEF)/k T
即 同理，分析電子電流
静电理论与电流电压特性
EF為定值
也可得相同結果
內建位勢障（Built-in potential）
從能帶圖看來，定費米能階會造 成接面的電荷區的形成，即所謂 的空間電荷區。 電洞變少，故此區為帶負電
NAxp NDxn
摻雜濃度越高的區域，空間電荷區的寬度就越小。
若n型區與型區的摻雜濃度差很多時，空間電荷區幾乎落在
低濃度摻雜的那一區
静电理论与电流电压特性
陡峭接面(abrupt junction)之空間電荷區
的電場分析(續）
由高斯定律
s
dx
E
可求出電場：
在 x = 0 處為電場的極值
也可得到電荷守恆之等式
內建位勢障（Built-in potential）（續）
在P型區定義：
在N型區定義：
所以np兩區所形 成的電位差為
静电理论与电流电压特性
静电理论与电流电压特性
4.3.2 空間電荷
一般矽和砷化鎵的過渡區遠小於空乏區，故可忽 略。
趨近
静电理论与电流电压特性
4.3 空間電荷區
常見pn接面的摻雜濃 度分佈及其近似。