山东专升本电气自动化复习资料-模电(半导体器件)

1、1 第一章 半导体器件2导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。半导体的基本知识半导体的基本知识3+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电

2、子束缚电子在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价电子完价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。4温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征

3、半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理5 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半

4、导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。6+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和

5、空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。7二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半

6、导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。8三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量

7、的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。9PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和型半导体和N 型半型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。结。 1、漂移电流、漂移电流 载流子在电场作用下有规则的运动载流子在电场作用下有规则的运动-漂移运动漂移运动 形成的电流形成的电流-漂移电流漂移电流2、 扩散电流扩散电流载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方扩散所形成的

8、电流。扩散所形成的电流。10P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。PN 结的形成结的形成11漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动

9、，空间电荷区的厚度固定不变。两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。121.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P区区中的空穴中的空穴. .N区区 中中的电子（的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。从宏观从宏观上看，自由状态下，上看，自由状态下，PN结中无电流。结中无电流。注

10、意注意: :PN 结的形成结的形成4.当两边的掺杂浓度相等时，当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的。当结是对称的。当两边的掺杂浓度不等时，两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称。结不对称。1314+PN+E+_RPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场PN结的单向导电性结的单向导电性变薄变薄内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。成较大的扩散电流。正向电流正向电流PN 结：结：P型半导体和型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层型半导体交界面的特殊薄层 15内电场内电场外电场外电场+_RE二、二、PN 结反向偏结反向偏1.2.2 PN结的单

11、向导电性结的单向导电性+PN+变厚变厚内电场被加强，多子的内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。16 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：17反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+1819定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的

12、工作状态导通导通截止截止 若二极管是若二极管是理想理想的，的，20二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管的应用举例：二极管半波整流二极管半波整流21电路如图，求：电路如图，求：UAB V阳阳 =6 V，V阴阴 =12 V，V阳阳 V阴阴 ，二二极管导通，若忽略管压降，二极管可看作短极管导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，路，UAB = 6V。 实际上实际上， UAB低于低于6V一个管压降，为一个管压降，为6.3或或6

13、.7V例例1 1： 取取B 点作为参考点作为参考点，断开二极管，分点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极析二极管阳极和阴极的电位。的电位。22例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+解：解：23ui 8V 二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui IC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 39工作状态工作状态放大状态放大状态饱和状态饱和状态截止状态截止状态偏置情况偏置情况发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏发射结正偏发射结正偏集电结正偏集电结正偏发射结反偏发射结反偏集电结

14、反偏集电结反偏主要特征主要特征BCII CCCCCERIUU CCCCSCRUII 3 . 0CESCEUU0IICEOC CCCEUU C、E之间之间等效电路等效电路受控的恒流源受控的恒流源相当于相当于 开开关接通关接通相当于相当于 开开关断开关断开输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:40例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？当当USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ，

15、IC=0IC最大饱和电流：最大饱和电流：Q位于截止区位于截止区 41例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V时：时：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC42USB =5V时时:例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体

16、管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于饱和区，此时位于饱和区，此时IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系。倍的关系。mA061070705.RUUIBBESBBcmaxBI.I5m03mA061050mA2cmaxcII43 BCII_ BCII 44例：例：UCE=6V时时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理： =4553704051BC.II 400400605132BC .II 46（1）V1=3.5V， V2=2.9V， V3=12V。例例2： 测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位值值V1、V2、V3，判断管子的类型、材料及三个极。，判断管子的类型、材料及三个极。NPN型硅管，型硅管，1、2、3依次为依次为B、E、C（2）V1=3V， V2=2.8V， V3=12V。（3）V1=6V， V2=11.4V， V3=12V。（4）V1=6V， V2=11.8V， V3=12V。NPN型鍺管，型鍺管，1、2、3依次为依次为B、E