山東專升本電氣自動化復習資料-模電(半導體器件)

1、1 第一章 半導體器件2導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體導體，金屬，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導電，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。半導體：半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，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。半導體的基本知識半導體的基本知識3+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電

2、子束縛電子在絕對在絕對0度度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時和沒有外界激發(fā)時, ,價電子完價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即粒子（即載流子載流子），它的導電能力為），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，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、半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成：本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。空穴移動產(chǎn)生的電流。本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理5 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半

4、導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。稱為（空穴半導體）。N 型半導體：型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。也稱為（電子半導體）。6+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中型半導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.本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和

5、空穴。本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠大于空穴濃度。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 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，半

6、導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼的帶負電的離子。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 型半導體中空穴是多子，電子是少子型半導體中空穴是多子，電子是少子。8三、雜質(zhì)半導體的示意表示法三、雜質(zhì)半導體的示意表示法P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子但由于數(shù)量

7、的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。9PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導體基片上，分別制造在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和型半導體和N 型半型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了導體，經(jīng)過載流子的擴散，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 載流子在電場作用下有規(guī)則的運動載流子在電場作用下有規(guī)則的運動-漂移運動漂移運動 形成的電流形成的電流-漂移電流漂移電流2、 擴散電流擴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散所形成的

8、電流。擴散所形成的電流。10P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運動漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電擴散的結(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)電場越強，就使漂移內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄?？臻g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漂移運動漂移運動P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動

9、，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變?？臻g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)中沒有載流子。空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙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\動（）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動擴散運動）。）。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)中無電流。結(jié)中無電流。注

10、意注意: :PN 結(jié)的形成結(jié)的形成4.當兩邊的摻雜濃度相等時，當兩邊的摻雜濃度相等時，PN結(jié)是對稱的。當結(jié)是對稱的。當兩邊的摻雜濃度不等時，兩邊的摻雜濃度不等時，PN結(jié)不對稱。結(jié)不對稱。1314+PN+E+_RPN 結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦宰儽∽儽?nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，能夠形的擴散加強，能夠形成較大的擴散電流。成較大的擴散電流。正向電流正向電流PN 結(jié)：結(jié)：P型半導體和型半導體和N型半導體交界面的特殊薄層型半導體交界面的特殊薄層 15內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場+_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)電場被加強，多子的內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制。少子的漂擴散受抑制。少子的漂移加強，但少子數(shù)量有移加強，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 半導體二極管半導體二極管一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點接觸型點接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號：二極管的電路符號：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)導通導通截止截止 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二極管的應用舉例：二極管的應用舉例：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陽陽 =6 V，V陰陰 =12 V，V陽陽 V陰陰 ，二二極管導通，若忽略管壓降，二極管可看作短極管導通，若忽略管壓降，二極管可看作短路，路，UAB = 6V。 實際上實際上， UAB低于低于6V一個管壓降，為一個管壓降，為6.3或或6

13、.7V例例1 1： 取取B 點作為參考點作為參考點，斷開二極管，分點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極析二極管陽極和陰極的電位。的電位。22例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+解：解：23ui 8V 二極管導通，可看作短路二極管導通，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)截止狀態(tài)截止狀態(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、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于相當于 開開關接通關接通相當于相當于 開開關斷開關斷開輸出特性三個區(qū)域的特點輸出特性三個區(qū)域的特點:40例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？當當USB =-2V時：時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0 ，

15、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 當當USB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大區(qū)位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB =2V時：時：9mA01070702.RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC42USB =5V時時:例：例： =50， USC =12V， RB =70k ， RC =6k 當當USB = -2V，2V，5V時，時，晶體

16、管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ 位于飽和區(qū)，此時位于飽和區(qū)，此時IC 和和IB 已不是已不是 倍的關系。倍的關系。mA061070705.RUUIBBESBBcmaxBI.I5m03mA061050mA2cmaxcII43 BCII_ BCII 44例：例：UCE=6V時時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCII在以后的計算中，一般作近似處理：在以后的計算中，一般作近似處理： =4553704051BC.II 400400605132BC .II 46（1）V1=3.5V， V2=2.9V， V3=12V。例例2： 測得工作在放大電路中幾個晶體管三個極電位測得工作在放大電路中幾個晶體管三個極電位值值V1、V2、V3，判斷管子的類型、材料及三個極。，判斷管子的類型、材料及三個極。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