嵌入式入门教学——半导体、二极管、三极管

目录

一、半导体

1、简介

2、本征半导体

3、杂志半导体

4、PN结的形成及其单向导电性

5、PN结的电容效应

二、半导体二极管

1、简介

 2、二极管的伏安特性和电流方程

三、晶体三极管

1、晶体管的结构和符号

2、晶体管的放大原理

3、晶体管的共射输入特性和输出特性

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一、半导体

1、简介

• 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
• 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。

2、本征半导体

• 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。（无杂质、稳定的结构）
• 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强热力学温度OK时不导电。

2.1、本征半导体的结构

• 
• 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
• 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。

 2.2、载流子

• 运载电荷的粒子称为载流子。本征半导体中的两种载流子：自由电子和空穴。
• 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。

3、杂志半导体

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

3.1、N型半导体

• 掺加杂质，使得自由电子多于空穴，靠自由电子导电。
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•  多数载流子为自由电子，即为N型半导体。

3.2、P型半导体

• 掺加杂质，使得空穴多于自由电子，靠空穴导电。
• 
•   多数载流子为空穴，即为P型半导体。

4、PN结的形成及其单向导电性

4.1、导电原理

• 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。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。
• 

 4.2、PN结的形成

• 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。
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• 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。

 4.3、PN结加正向电压导通

• 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。
• 空穴为正电，同性相斥，空穴向N区移动，平衡打破，故导电。
• 

 4.4、PN结加反向电压截止

• 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。
• 自由电子为负电，异性相吸，自由电子向N区移动，平衡加固，故截止。
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5、PN结的电容效应

• 整个PN结的结电容：Cj=Cb(势垒电容)+Cd(扩散电容)。

5.1、势垒电容

• PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化（耗尽层变窄或变宽），有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。

5.2、扩散电容

• PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化（自由电子和空穴的移动），也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。

二、半导体二极管

1、简介

1.1、什么是二极管？

• 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
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1.2、二极管的分类

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 2、二极管的伏安特性和电流方程

2.1、电流方程

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• U(BR)：反向击穿电压。
• Is：反向饱和电流。
• i：流经二极管的电流。
• u：二极管的电压。
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2.2、伏安特性

• 单向导电性
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• 伏安特性受温度影响
  • 温度升高，电流不变，二极管两端电压减小，反向饱和电流增大，反向击穿电压减小(易被击穿)。

三、晶体三极管

1、晶体管的结构和符号

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2、晶体管的放大原理

2.1、放大条件

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• 发射结正偏：P为正，N为负。
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• 集电结反偏：P为负，N为正。
  • 
• 满足条件即可把基极的电流放大。
• 左N的自由电子浓度过高，自由电子会挤到右N(漂移运动)，产生电流。
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2.2、电流分配

• Ie = Ib + Ic
• Ie：发射极电流
• lb：基极电流 
• lc：集电极电流
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• 放大系数：
  • 

3、晶体管的共射输入特性和输出特性

3.1、输入特性

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• UBE(基极和发射极的电压)大于开启电压时，IB(基极电流)开始增大。
• 当UCE(集电极和发射极的电压)=0时，相当于集电极与发射极短路，即发射结与集电结并联。因此，输入特性曲线与PN结的伏安特性类似，呈指数关系。
• 当UCE增大时，曲线将右移。

3.2、输出特性

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• 对于每一个确定的IB(基极电流)，都有一条曲线，输出特性的一组曲线。
• 截至区：发射极电压小于开启电压，且集电结反向偏置。
• 放大区：发射结正向偏置且集电结反向偏置。
• 饱和区：发射结与集电结均处于正向偏置。