注册电气工程师考试学习资料半导体基础及二极管三极管.ppt
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1、模拟电子技术,第1章 半导体器件基础,考试大纲要求: 1 半导体及二极管 1.1 掌握二极管和稳压管特性、参数 1.2 了解载流子,扩散,漂移;PN结的形成及单向导电性,重点知识点:1.两种半导体、载流子及其运动、PN结2.半导体二极管参数、单向导电性、伏安特性3.稳压二极管及其应用4.晶体三极管结构、电流分配关系5.晶体管的三种工作状态、输入输出特性,1.1 半导体基础知识,自然界中的物质,按其导电能力可分为三大类:导体、半导体和绝缘体。 半导体的特点:热敏性光敏性掺杂性,1.1.1 本征半导体 完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。1.本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个
2、电子由相邻的原子各用一个价电子组成,称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,图1.1 硅和锗的原子结构和共价键结构,2.本征激发和两种载流子自由电子和空穴 温度越高,半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后,在原来的位置留有一个空位,称此空位为空穴。 本征半导体中,自由电子和空穴成对出现,数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.2 本征激发产生电子空穴对,如图1.3所示,空穴(如图中位置1)出现以后,邻近的束缚电子(如图中位置2)可能获取足够的能量来填补这个空穴,而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位,另一个束缚电子(如图中位
3、置3)又会填补这个新的空位,这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动,称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。,图1.3 束缚电子填补空穴的运动,3.结 论 (1)半导体中存在两种载流子,一种是带负电的自由电子,另一种是带正电的空穴,它们都可以运载电荷形成电流。 (2)本征半导体中,自由电子和空穴相伴产生,数目相同。,(3)一定温度下,本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡,电子空穴对的数目相对稳定。 (4)温度升高,激发的电子空穴对数目增加,半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中加入微量杂质,可使其导
4、电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同,杂质半导体分为两类:电子型(N型)半导体和空穴型(P型)半导体。,1. N型半导体 在硅(或锗)半导体晶体中,掺入微量的五价元素,如磷(P)、砷(As)等,则构成N型半导体。,五价的元素具有五个价电子,它们进入由硅(或锗)组成的半导体晶体中,五价的原子取代四价的硅(或锗)原子,在与相邻的硅(或锗)原子组成共价键时,因为多一个价电子不受共价键的束缚,很容易成为自由电子,于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后,在原来的位置留下一个不能移动的正离子,半导体仍然呈现电中性,但与此同时没有相应的空穴产生,如图1.4所示。,图1.4 N型半导体的
5、共价键结构,2.P型半导体 在硅(或锗)半导体晶体中,掺入微量的三价元素,如硼(B)、铟(In)等,则构成P型半导体。,三价的元素只有三个价电子,在与相邻的硅(或锗)原子组成共价键时,由于缺少一个价电子,在晶体中便产生一个空位,邻近的束缚电子如果获取足够的能量,有可能填补这个空位,使原子成为一个不能移动的负离子,半导体仍然呈现电中性,但与此同时没有相应的自由电子产生,如图1.5所示。,图1.5 P型半导体共价键结构,P型半导体中,空穴为多数载流子(多子),自由电子为少数载流子(少子)。P型半导体主要靠空穴导电。,1.1.3 PN结及其单向导电性1. PN结的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成
6、的运动称为扩散运动,如图1.6所示。,图1.6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散,由于空穴和自由电子均是带电的粒子,所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏,在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层,称此离子层为空间电荷区,这就是所谓的PN结,如图1.7所示。在空间电荷区,多数载流子已经扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.7 PN结的形成,空间电荷区出现后,因为正负电荷的作用,将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向,会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时,内电场则可推动少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)越过空间电荷区,进入对
7、方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时,通过PN结的扩散电流等于漂移电流,PN结中无电流流过,PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。,2. PN结的单向导电性 如果在PN结两端加上不同极性的电压,PN结会呈现出不同的导电性能。(1)PN结外加正向电压 PN结P端接高电位,N端接低电位,称PN结外加正向电压,又称PN结正向偏置,简称为正偏,如图1.8所示。,图1.8 PN结外加正向电压,(2)PN结外加反向电压 PN结P端接低电位,N端接高电位,称PN结外加反向电压,又称PN结反向偏置,简称为反偏,如图1.9所示。,图1.9 PN结外加反向
8、电压,PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态,外加反向电压时处于截止状态。,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构及符号 半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类,如图1.10所示。,图1.10 不同结构的各类二极管,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极,由N端引出的电极是负极,箭头的方向表示正向电流的方向,VD是二极管的文字符号。,图1.11 二极管的符号,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同,二极管分为整流、检波、开关、
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