山東專升本電氣自動化復(fù)習(xí)資料-模電(半導(dǎo)體器件)

第一章

半導(dǎo)體器件1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體的基本知識2+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。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，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。3溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。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：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動產(chǎn)生的電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理4

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)，就會使半導(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。P型半導(dǎo)體：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）。N型半導(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）。5+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導(dǎo)體中成對產(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，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。6二、P型半導(dǎo)體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(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。7三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。8PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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)。

1、漂移電流載流子在電場作用下有規(guī)則的運動-------漂移運動形成的電流-------漂移電流2、

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擴散所形成的電流。9P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。PN

結(jié)的形成10漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(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(dāng)于兩個區(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)，也稱耗盡層。111.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。從宏觀上看，自由狀態(tài)下，PN結(jié)中無電流。注意:PN

結(jié)的形成4.當(dāng)兩邊的摻雜濃度相等時，PN結(jié)是對稱的。當(dāng)兩邊的摻雜濃度不等時，PN結(jié)不對稱。12

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量主要與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量主要與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba13－－－－++++PN－－－－++++E+_RPN

結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場PN結(jié)的單向?qū)щ娦宰儽?nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，能夠形成較大的擴散電流。正向電流PN結(jié)：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面的特殊薄層

P接正、N接負(fù)

PN結(jié)加正向電壓時，正向電阻較小，處于導(dǎo)通狀態(tài)。14內(nèi)電場外電場+_RE二、PN結(jié)反向偏1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?+++PN－－－－++++－－－－++++變厚內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制。少子的漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。

P接負(fù)、N接正PN結(jié)加反向電壓時，反向電阻較大，處于截止?fàn)顟B(tài)。溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。15

半導(dǎo)體二極管一、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。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號：16

伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。17二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?/p>

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。18

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。19二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降

0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例：二極管半波整流20電路如圖，求：UAB

V陽=－6V，V陰=－12V，V陽

>V陰，二極管導(dǎo)通，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V。

實際上，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作為參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。D6V12V3k

BAUAB+–21

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，鉗位，使D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:流過D2

的電流為求：UABD2：鉗位作用，D1：隔離作用。

BD16V12V3k

AD2UAB+–解：22ui>8V

二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V

二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。u218V參考點8V例3二極管的用途：

整流、檢波、限幅、箝位、開關(guān)、元器件保護、溫度補償?shù)?。D8VRuoui++––23穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO24負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生

20%波動時，負(fù)載電壓基本不變。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax

。求：電阻R和輸入電壓ui

的正常值?！匠?25令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin

?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：26光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加27發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。28

晶體管晶體管基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管29BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高發(fā)射結(jié)集電結(jié)1.4.1

基本結(jié)構(gòu)工作條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓集電結(jié)加反向電壓保證有足夠的收集能力，收集從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)并越過基區(qū)到達集電區(qū)的載流子，形成集電極電流。保證有足夠多的載流子發(fā)射并形成發(fā)射極電流保證從發(fā)射區(qū)到基區(qū)的載流子，只有極少數(shù)參與復(fù)合運動而形成較小的基極電流。30電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏

PNP發(fā)射結(jié)正偏

VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

312.各電極電流關(guān)系及電流放大作用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結(jié)論:1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。323.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結(jié)。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。33發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路

測量晶體管特性的實驗線路輸入回路輸出回路ECICEBmA

AVUCEUBERBIBV++––––++341.

輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO352.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置

集電結(jié)反向偏置36IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

，UCE

UCC

。條件：發(fā)射結(jié)反向偏置、集電結(jié)反向偏置飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

UCE

UBE時，飽和狀態(tài)。UCE

0,IC

UCC/RC。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置

集電結(jié)正向偏置

37輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

38工作狀態(tài)放大狀態(tài)飽和狀態(tài)截止?fàn)顟B(tài)偏置情況發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏主要特征C、E之間等效電路受控的恒流源相當(dāng)于

開關(guān)接通相當(dāng)于

開關(guān)斷開輸出特性三個區(qū)域的特點:39例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？當(dāng)USB

=-2V時：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大飽和電流：Q位于截止區(qū)

40例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？IC<

ICmax

(=2mA)

，

Q位于放大區(qū)。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V時：41USB

=5V時:例：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

當(dāng)USB

=-2V，2V，5V時，晶體管的靜態(tài)工作點Q位于哪個區(qū)？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于飽和區(qū)，此時IC和IB

已不是倍的關(guān)系。42

主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，

直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。43例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5