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1半导体基础知识

  

1半导体基础知识

  导体--铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。

  绝缘体--惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

  半导体--硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。

  外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。

  一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。

  在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。

  4.由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到平衡,载流子的浓度就一定了。

  在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素,如磷、锑、砷等,即构成N型半导体(或称电子型半导体)。

  本征半导体掺入5价元素后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子,其中4个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。

  杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。

  在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?

  对于杂质半导体,多子浓度越高,少子浓度越低。可以认为掺入杂质浓度决定多子浓度;温度决定少子浓度;

  在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素,如硼、镓、铟等,即构成P型半导体。3价杂质原子称为受主原子。

  2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。

  扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。

  在无外电场和其它激发作用下,参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目,达到动态平衡,就形成了PN结。

  由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。

  不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,电路中产生反向电流Is;

  当PN上的电压发生变化时,PN 结中储存的电荷量将随之发生变化,使PN结具有电容效应。

  由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化,因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。

  在某个正向电压下,P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线 处为 P 与 耗尽层的交界处

  正向电压变化时,变化载流子积累电荷量发生变化,相当于电容器充电和放电的过程 —— 扩散电容效应。

  Cb 和 Cd 值都很小,通常为几个皮法—几十皮法, 有些结面积大的二极管可达几百皮法。

  一般来说,当二极管正向偏置时,扩散电容起主要作用,即可以认为 Cj  Cd;

  为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能?

  为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素?

  【例】电路如图所示,UD=0.7V,试估算开关断开和闭合输出电压UO 。

  当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。

  由一个PG电子官网PN结组成,反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,为稳定电压。

  若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻!

  已知稳压二极管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流Izmin=5mA,最大稳定电流 Izmax=25mA;负载电阻RL=600,,求限流电阻的取值范围 。

  三极管放大的外部条件:外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。

  扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电流IB,漂移运动形成集电极电流IC。

  发射区的电子越过发射结扩散到基区,基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流 IE (基区多子数目较少,空穴电流可忽略)。

  电子到达基区,少数与空穴复合形成基极电流 IBN,复合掉的空穴由 VBB 补充。

  另外,集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流,用ICBO表示。

  若有输入电压uI作用时,则晶体管的基极电流 iB=IB+iB,同样,集电极电流 iC=IC+iC。

  直流参数 与交流参数 、  的含义是不同的,但是,对于大多数三极管来说, 与 , 与的数值却差别不大,计算中,可不将它们严格区分。

  对于小功率晶体管,UCE大于1V的一条输入特性曲线V的所有输入特性曲线。

  为什么uCE较小时iC随uCE变化很大?为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线?

  晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB,即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。

  【例】:测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下,试判别管子工作在什么区域?

  【例】测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为: (1)U1=3.5V、U2=2.8V、 U3=12V

  【解】:原则:先求UBE,若等于0.6-0.7V,为硅管;若等于0.2-0.3V,为锗管。发射结正偏,集电结反偏。

  场效应管:一种载流子参与导电,利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管,又称单极型三极管。

  在漏极和源极之间加上一个正向电压,N 型半导体中多数载流子电子可以导电。

  P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+),导电沟道为 P 型,多数载流子为空穴。

  N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS)

  *在栅极和源极之间加反向电压,耗尽层会变宽,导电沟道宽度减小,使沟道本身的电阻值增大,漏极电流 ID 减小,反之,漏极 ID 电流将增加。