硬件电路设计基础知识

硬件电子电路基础

第一章半导体器件

§1-1 半导体基础知识

一、什么是半导体

半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率）（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物）

二、半导体的导电特性

本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。

硅和锗的共价键结构。（略）

1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化

•掺杂──管子

•温度──热敏元件

•光照──光敏元件等

2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴

•自由电子──受束缚的电子（－）

•空穴──电子跳走以后留下的坑（＋）

三、杂质半导体──N型、P型

（前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。

•N型半导体（自由电子多）

掺杂为＋5价元素。如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增加原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。

载流子组成：

o本征激发的空穴和自由电子──数量少。

o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。

o空穴──少子

o自由电子──多子

•P型半导体（空穴多）

掺杂为＋3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加

原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。

B──＋3价

载流子组成：

o本征激发的空穴和自由电子──数量少。

o掺杂后由B提供的空穴──数量多。

o空穴──多子

o自由电子──少子

结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子；

P型半导体中的多数载流子为空穴。

§1-2 PN结

一、PN结的基本原理

1、什么是PN结

将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。

2、PN结的结构

分界面上的情况：

P区：空穴多

N区：自由电子多

扩散运动：

多的往少的那去，并被复合掉。留下了正、负离子。

（正、负离子不能移动）

留下了一个正、负离子区──耗尽区。

由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。

方向：N--> P

大小：与材料和温度有关。（很小，约零点几伏）

漂移运动：

由于内建电场的吸引，个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。

结论：在没有外加电压的情况下，扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反。总电流为零。

二、PN结的单向导电特性

1、外加正向电压时：（正偏）

结论：

势垒高度¯PN结宽度（耗尽区宽度）¯扩散电流­

2、外加反向电压时：（反偏）

结论：

势垒高度­PN结宽度（耗尽区宽度）­扩散电流（趋近于0）¯

此时总电流＝反向饱和电流（漂移电流）：I5

注：反向饱和电流I5只与温度有关，与外加电压无关。

【PN结的反向击穿】：

•齐纳击穿：势垒区窄，较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键，导致反向电流剧增。< 4V

•雪崩击穿：势垒区宽，载流子穿过PN结时间长，速度高，将价电子从共价键中撞出来，撞出来的电子再去撞别的价电子，导致反向电流剧增。>7V

当反向电压在4V和7V之间的时候，两种击穿均有。

【PN结的电容效应】：

•势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下，电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容。（反偏减小，正偏增大）

•扩散电容：当PN结外加正向电压时，由于扩散作用，从另一方向本方注入少子，少子注入后，将破坏半导体的电中性。为了维持电中性，将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体，在半导体中形成空穴－电子对储存。外电压增量引起空穴－电子对存储就象电容充电一样。

PN结等效为：两个扩散电容＋一个势垒电容。（对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内）

反偏：扩散电流＝0，以势垒电容为主。

正偏：扩散电流很大，以扩散电容为主。

§1-3 二极管

一、构成与符号

二、伏安特性曲线

1.正向特性：

正向电压较小时，正向电流几乎为0──死区。

当正向电压超过某一门限电压时，二极管导通，电流随电压的增加成指数率的关系迅速增大。

门限电压（导通电压）──U D：硅管──0.5-0.7V

锗管──0.1-0.2V

2．反向特性：

当外加电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。

当外加电压大于反向击穿电压U B时，反向电流随电压急剧增大（击穿）。

3．伏安特性解析式

在理想条件下，PN结的伏安（电流与结电压）关系式：──呈指数关系

式中：q──电子电荷量

K──波尔兹曼常数

T──绝对温度0K(-273°C)

令：（室温下U T = 26mV ）

伏安关系式简化为：

当电压超过100mV时，公式可以简化为：

加正向电压时：

加反向电压时：I = -I S

4．二极管的等效电阻

从二极管的伏安特性曲线上可以看出：二极管是非线性元件，等效电阻的大小与Q点有关。

直流电阻（静态电阻）──

交流电阻──

例：用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻，结果一样吗？

特殊二极管：稳压二极管；变容二极管；发光二极管；

二极管应用：

1．整流：略

2．稳压：稳压管稳压电路。P22 Fig 1-3-16

3．限幅器：二极管限幅器。P24-26 串联、并联、双向。

例：P52 1－2

§1-4 晶体三极管

一、结构及符号