山东专升本电气自动化复习资料-模电(半导体器件)

第一章

半导体器件1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的基本知识2+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,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粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。3温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半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。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。本征半导体的导电机理4

杂质半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。5+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.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，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。6二、P型半导体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，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。7三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质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。近似认为多子与杂质浓度相等。8PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。

1、漂移电流载流子在电场作用下有规则的运动-------漂移运动形成的电流-------漂移电流2、

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扩散所形成的电流。9P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。PN

结的形成10漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场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，也称耗尽层。111.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P

区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流。注意:PN

结的形成4.当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的。当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称。12

1.在杂质半导体中多子的数量主要与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量主要与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量

（a.减少、b.不变、c.增多）。abc

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba13－－－－++++PN－－－－++++E+_RPN

结正向偏置内电场外电场PN结的单向导电性变薄内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。正向电流PN结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层

P接正、N接负

PN结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。14内电场外电场+_RE二、PN结反向偏1.2.2PN结的单向导电性－－－－++++PN－－－－++++－－－－++++变厚内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。

P接负、N接正PN结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。15

半导体二极管一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：16

伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。17二极管的单向导电性

1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。18

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。19二极管：死区电压=0.5V，正向压降

0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例：二极管半波整流20电路如图，求：UAB

V阳=－6V，V阴=－12V，V阳

>V阴，二极管导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V。

实际上，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作为参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。D6V12V3k

BAUAB+–21

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，钳位，使D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:流过D2

的电流为求：UABD2：钳位作用，D1：隔离作用。

BD16V12V3k

AD2UAB+–解：22ui>8V

二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V

二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。u218V参考点8V例3二极管的用途：

整流、检波、限幅、箝位、开关、元器件保护、温度补偿等。D8VRuoui++––23稳压二极管1.符号UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO24负载电阻。要求当输入电压由正常值发生

20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax

。求：电阻R和输入电压ui

的正常值。——方程125令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：26光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加27发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。28

晶体管晶体管基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管29BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高发射结集电结1.4.1

基本结构工作条件：发射结加正向电压集电结加反向电压保证有足够的收集能力，收集从发射区发射到基区并越过基区到达集电区的载流子，形成集电极电流。保证有足够多的载流子发射并形成发射极电流保证从发射区到基区的载流子，只有极少数参与复合运动而形成较小的基极电流。30电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏

PNP发射结正偏

VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

312.各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。323.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。33发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路

测量晶体管特性的实验线路输入回路输出回路ECICEBmA

AVUCEUBERBIBV++––––++341.

输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO352.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=

IB

，也称为线性区，具有恒流特性。条件：发射结正向偏置

集电结反向偏置36IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

，UCE

UCC

。条件：发射结反向偏置、集电结反向偏置饱和区截止区（3）饱和区

UCE

UBE时，饱和状态。UCE

0,IC

UCC/RC。条件：发射结正向偏置

集电结正向偏置

37输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

38工作状态放大状态饱和状态截止状态偏置情况发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏发射结反偏集电结反偏主要特征C、E之间等效电路受控的恒流源相当于

开关接通相当于

开关断开输出特性三个区域的特点:39例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

40例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？IC<

ICmax

(=2mA)

，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：41USB

=5V时:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于饱和区，此时IC和IB

已不是倍的关系。42

主要参数1.电流放大系数，

直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。43例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5