山東專升本電氣自動(dòng)化復(fù)習(xí)資料-模電(半導(dǎo)體器件)

1、1 第一章 半導(dǎo)體器件2導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體，金屬，金屬一般都是導(dǎo)體。一般都是導(dǎo)體。絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)3+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電

2、子束縛電子在絕對(duì)在絕對(duì)0度度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí), ,價(jià)電子完價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即粒子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴空穴。4溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征

3、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿?dòng)產(chǎn)生的電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理5 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半

4、導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。也稱為（電子半導(dǎo)體）。6+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中的載流子是什的載流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.2.本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和

5、空穴。本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。7二、二、P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，半

6、導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。8三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子但由于數(shù)量

7、的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。9PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N 型半型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。結(jié)。 1、漂移電流、漂移電流 載流子在電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)載流子在電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 形成的電流形成的電流-漂移電流漂移電流2、 擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流載流子由于濃度的不均勻而從濃度大的地方向濃度小的地方載流子由于濃度的不均勻而從濃度大的地方向濃度小的地方擴(kuò)散所形成的

8、電流。擴(kuò)散所形成的電流。10P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。PN 結(jié)的形成結(jié)的形成11漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)

9、，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。121.1.空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。2.2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)區(qū)中的空穴中的空穴. .N區(qū)區(qū) 中中的電子（的電子（都是多子都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。）。3.3.P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（區(qū)中的空穴（都是少子都是少子），），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。從宏觀從宏觀上看，自由狀態(tài)下，上看，自由狀態(tài)下，PN結(jié)中無(wú)電流。結(jié)中無(wú)電流。注

10、意注意: :PN 結(jié)的形成結(jié)的形成4.當(dāng)兩邊的摻雜濃度相等時(shí)，當(dāng)兩邊的摻雜濃度相等時(shí)，PN結(jié)是對(duì)稱的。當(dāng)結(jié)是對(duì)稱的。當(dāng)兩邊的摻雜濃度不等時(shí)，兩邊的摻雜濃度不等時(shí)，PN結(jié)不對(duì)稱。結(jié)不對(duì)稱。1314+PN+E+_RPN 結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦宰儽∽儽?nèi)電場(chǎng)被削弱，多子內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形的擴(kuò)散加強(qiáng)，能夠形成較大的擴(kuò)散電流。成較大的擴(kuò)散電流。正向電流正向電流PN 結(jié)：結(jié)：P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面的特殊薄層型半導(dǎo)體交界面的特殊薄層 15內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)+_RE二、二、PN 結(jié)反向偏結(jié)反向偏1.2.2 PN結(jié)的單

11、向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN+變厚變厚內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子的漂擴(kuò)散受抑制。少子的漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反向電流。向電流。16 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號(hào)：二極管的電路符號(hào)：17反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+1819定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的

12、工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是若二極管是理想理想的，的，20二極管：二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例：二極管的應(yīng)用舉例：二極管半波整流二極管半波整流21電路如圖，求：電路如圖，求：UAB V陽(yáng)陽(yáng) =6 V，V陰陰 =12 V，V陽(yáng)陽(yáng) V陰陰 ，二二極管導(dǎo)通，若忽略管壓降，二極管可看作短極管導(dǎo)通，若忽略管壓降，二極管可看作短路，路，UAB = 6V。 實(shí)際上實(shí)際上， UAB低于低于6V一個(gè)管壓降，為一個(gè)管壓降，為6.3或或6

13、.7V例例1 1： 取取B 點(diǎn)作為參考點(diǎn)作為參考點(diǎn)，斷開二極管，分點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。的電位。22例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+解：解：23ui 8V 二極管導(dǎo)通，可看作短路二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui IC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 39工作狀態(tài)工作狀態(tài)放大狀態(tài)放大狀態(tài)飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)偏置情況偏置情況發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)

14、反偏集電結(jié)反偏主要特征主要特征BCII CCCCCERIUU CCCCSCRUII 3 . 0CESCEUU0IICEOC CCCEUU C C、E E之間之間等效電路等效電路受控的恒流源受控的恒流源相當(dāng)于相當(dāng)于 開關(guān)接通開關(guān)接通相當(dāng)于相當(dāng)于 開關(guān)斷開開關(guān)斷開輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):40例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？當(dāng)當(dāng)USB =-2V時(shí)：時(shí)：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=

15、0 ， IC=0IC最大飽和電流：最大飽和電流：Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) 41例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V時(shí)：時(shí)：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC42USB =5V時(shí)時(shí):例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當(dāng)當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，

16、時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于飽和區(qū)，此時(shí)位于飽和區(qū)，此時(shí)IC 和和IB 已不是已不是 倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。mA061070705.RUUIBBESBBcmaxBI.I5m03mA061050mA2cmaxcII43 BCII_ BCII 44例：例：UCE=6V時(shí)時(shí)：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：在以后的計(jì)算中，一般作近似處理： =4553704051BC.II 400400605132BC .II 46（1）V1=3.5V， V2=2.9V， V3=12V。例例2： 測(cè)得工作在放大電路中幾個(gè)晶體管三個(gè)極電位測(cè)得工作在放大電路中幾個(gè)晶體管三個(gè)極電位值值V1、V2、V3，判斷管子的類型、材料及三個(gè)極。，判斷管子的類型、材料及三個(gè)極。NPN型硅管，型硅管，1、2、3依次為依次為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依次為依次為B、E