分立元器件基本电路剖析

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现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗, 它们的最外层电子(价电子)都是四个。
Ge
Si
第六章 分立元器件基本电路
硅和锗的晶 体结构:
在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点 阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它 原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子 之间形成共价键,共用一对价电子。
三价硼
自由电 子
第六章 分立元器件基本电路
PN 结
将 N 型半导体与 P 型半导体采用特殊的工 艺结合在一起时,在其交界处会形成一种特 殊的阻挡层,这就是PN结。
PN 结具有很重要的特性 —— 单向导电性。 实际电路中,PN结上总要加上一定的电压, 外加电压的极性不同,导电性能差异很大。
第六章 分立元器件基本电路
第六章 分立元器件基本电路
在外加电压的作用下,电子和空穴 都参与导电,所以电子和空穴都称为 载流子。两种载流子所带的电量相等、 极性相反,对外不显电性。自由电子 与空穴相遇时也会中和,称为复合。 常温下本征半导体导电能力差,要 提高它的导电能力,必须掺入微量的 杂质(特定元素),这就是杂质半导 体。
山西财贸职业技术学院 应用电子系
第6章 分立元器件基本电路
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8
常用半导体器件
共发射极放大电路
共发射极放大电路的分析 微变等效电路的分析方法 静态工作点的稳定电路 多级放大电路 共集电极放大电路 分立元件组成的基本门电路
第六章 分立元器件基本电路
第六章 分立元器件基本电路
PN结的单向导电性
(1) 加正向电压(正偏)——电源正极接P区,负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动>漂移运动
→多子扩散形成正向电流I
- - - - - - - - - + +
F
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 - - - + + + + + + + + +
第六章 分立元器件基本电路
半导体是制作晶体二极管、晶体三极管、 场效应管和集成电路的材料。 导电机理不同于其它物质的特点:掺杂性、热敏 性和光敏性 ①半导体的电阻率随着温度的升高而下降,即 温度升高,半导体的导电能力增强。 ②半导体的导电能力受掺入杂质的影响显著, 即在半导体材料中掺入微量杂质(特定的元素), 电阻率下降,导电能力增强。 ③半导体的导电能力随着光照强度的增强而增 强。
电位V
V0
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - -
P型区
空间 电荷 区
N型区
第六章 分立元器件基本电路
注意
1.空间电荷区中没有载流子。
2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴.N 区 中的电子(都是多子)向对方运动(扩散 运动)。 3. P 区中的电子和 N区中的空穴(都是少), 数量有限,因此由它们形成的电流很小。
+4 +5
+4
N 型半导体中
的载流子是什 么?
磷原子
+4
1.由磷原子提供的电子,浓度与磷原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。
第六章 分立元器件基本电路
总结



本征半导体中受激产生的电子很少。 N型半导体中电子是多子,其中大部分是掺杂提 供的电子,N型半导体中空穴是少子,少子的迁 移也能形成电流,由于数量的关系,起导电作用 的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 P型半导体中空穴是多子,电子是少子。
第六章 分立元器件基本电路
比较
杂质元素 N型 半导体 P型 半导体 五价磷 多子 自由 电子 空穴 少子 空穴 主要导电 载流子 自由 电子 空穴
第六章 分立元器件基本电路
几个名词
半导体硅元素和锗元素的单个原子都是 4价元素,其原子结构为相对稳定的共价健 结构。所以在室温下有少数的价电子可以 从原子的热运动中获得能量,挣脱共价健 的束缚,成为带负电荷的自由电子;在原 来的位置上留下一个带正电荷的空位,这 个空位称为空穴。在本征半导体中自由电 子和空穴是成对出现的称为电子-空穴对。
第六章 分立元器件基本电路
PN结小结
综上所述,当PN结加正向电压时会导通, 加反向电压时会截止,这就是PN结的单向 导电性。 P接高电位、N接低电位,PN结正偏导通 P接低电位、N接高电位,PN结反向截止
第六章 分立元器件基本电路
晶体二极管图
第六章 分立元器件基本电路
晶体二极管的结构
用外壳把一个 PN 结封装起来,从 P 区和 N 区各引 出一个电极,就组成一个晶体二极管,简称二极管, 用VD表示。示意图如图1-2(a)所示。图(b)是晶 体二极管的电路符号。
第六章 分立元器件基本电路
第一节 常用半导体器件
半导体基础知识
将所有的物质按照导电性能进行分类,可以分 为导体、绝缘体和半导体三类。 导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一 般都是导体。 绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、 陶瓷、塑料和石英。 半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等
正向电流
+
内电场 E
EW
R
第六章 分立元器件基本电路
(2) 加反向电压——电源正极接N区, 负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场→耗尽层变宽 →漂移运动>扩散运动 →少子漂移形成反向电流I R
P
空 间 电 荷 区
N
- - -
- - -
- - -
- - -
+ + +
+ + +
+ + +
图1-2 晶体二极管
第六章 分立元器件基本电路
触丝线
点接触型
PN结
引线
外壳线
基片
面接触型
二极管的电路符号:
+
阳极
阴极
P
N
第六章 分立元器件基本电路
晶体二极管的分类
晶体二极管种类很多 按照制造材料的不同分为硅二极 管和锗二极管。 按照用途分为整流二极管、检波 二极管、稳压二极管、开关二极管等。 按照制造工艺分类有点接触型、 面接触型、平面型等。
第六章 分立元器件基本电路
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
第六章 分立元器件基本电路
本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下, 空穴吸引附近的电子 来填补,这样的结果 相当于空穴的迁移, 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动,因此 可以认为空穴是载流 子。
第六章 分立元器件基本电路
硅和锗的共价键结构
+4表示原子 核内质子
+4
+4
共价键共
用电子对
+4 +4
第六章 分立元器件基本电路
+4
+4
形成共价键后,每个原子的 最外层电子是八个,构成稳 定结构。
共价键有很强的结合力,使原子规 则排列,形成晶体。
+4
+4
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为 束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以 本征半导体的导电能力很弱。
N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷, 晶体中的某些半导体原子被杂质取代,磷原 子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻 的半导体原子形成共价键,必定多出一个电 子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发 而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移 动的带正电的离子。
第六章 分立元器件基本电路
多余 电子
内电场越强,漂移运动 越强,而漂移使空间电 荷区变薄。 P 型半导体
漂移运动 内电场E
N 型半导体
+ +
+ + + + + +
- - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - -
+
+ + +
+ + + + + + + + + + + +
空间电荷区, 也称耗尽层。
第六章 分立元器件基本电路
杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,
也称为(电子半导体)。
P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也
称为(空穴半导体)。
第六章 分立元器件基本电路
第六章 分立元器件基本电路
二极管特性曲线测试
用图1-3(a)测试二极管的正向特性曲线 用图1-4(b)测试二极管的反向特性曲线 电阻R为限流电阻,为防止因电路中的电 流过大损坏二极管而设计。改变可调电阻RW的 大小,可以得到不同的输入电压,每给定一个 电压值读出相应的电流值,把若干个这样的测 试结果用描点连线的方法作在同一个u-i平面 上,就可以得到如图1-4所示的晶体二极管的伏 安特性曲线。
电子是少子。
硼原子
第六章 分立元器件基本电路
三、杂质半导体的符号
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P 型半导体
N 型半导体
第六章 分立元器件基本电路
P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或 铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最 外层有三个价电子,与相邻的 半导体原子形成共价键时,产 生一个空穴。这个空穴可能吸 引束缚电子来填补,使得硼原 子成为不能移动的带负电的离 子。
空穴
+4
+4
+3
+4
P 型半导体中空穴是多子,
分立元器件基本电路
教学目的 理解半导体二极管、三极管特性、简 单检测、三极管的电流放大作用;了解特 殊二极管、MOS场效应晶体管。理解共射 极单管交流放大电路的组成及各元件的作 用,放大电路静态工作点和简化微变等效 电路的分析方法。放大电路的波形失真及 其调整方法及频率特性,多级放大电路, 共集电极放大电路,基本门电路。
扩散运动 第六章
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。
分立元器件基本电路
漂移运动
P型半导体
- - - - - - +Leabharlann 内电场EN 型半导体
+ + + + +
+ + + + + +
- -- - - - - -- - - - - -- - - -
+ +
+
+ + + +
+ + + + +
扩散运动
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡, 相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚 第六章 分立元器件基本电路 度固定不变。
第六章 分立元器件基本电路
晶体二极管的伏安特性
二极管两端的电压 u (单位为伏)与电流 i (单位 为安)之间的变化规律称为晶体二极管的伏安特性。 通常用曲线来表示二极管的伏安特性,这条曲线称为 伏安特性曲线。伏安特性曲线可以通过实验的方法得 到,测试电路如下图1-3所示。
图1-3
晶体二极管伏安特性测试
第六章 分立元器件基本电路
本征半导体
常用的半导体材料有硅(元素符号为 Si)和锗(元素符号为Ge)两种。 纯净的半导体称为本征半导体。因为 半导体的原子结构是晶体结构,所以又称 为半导体晶体。用半导体材料做成的二极 管、三极管又称为晶体二极管、晶体三极 管。
第六章 分立元器件基本电路
本征半导体的结构特点
第六章 分立元器件基本电路
本征半导体中电流由两部分组成:
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强,温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素,这是半导体的一 大特点。
(在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现,同 时又不断的复合)
图1-1 PN结的单向导电性
第六章 分立元器件基本电路
PN结的单向导电性
PN结加反向电压——截止
将 PN 结按照图 1-1 ( b )所示接上电源称为加反向 电压,加反向电压时阻挡层( PN 结)变宽,电阻 变大,电流减小,称为PN结处于截止状态。 综上所述,当PN结加正向电压时会导通,加反向电压 时会截止,这就是PN结的单向导电性。
+ + + IR
内电场 E
EW
第六章 分立元器件基本电路 R
在一定的温度下,由本征激发产生的少子浓度 是一定的,故IR基本上与外加反压的大小无关, 所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。
第六章 分立元器件基本电路
PN结的单向导电性
PN结加正向电压-导通
将PN结按照图1-1(a)所示接上电源称为加正向 电压,加正向电压时阻挡层(PN结)变窄,电阻变小, 电流增大,称为PN结处于导通状态。
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