模拟电子技术_模电中扩散运动电子的运动状态

作者：菜鸟追梦旅行 | 2024-03-22 19:49:55

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模电中扩散运动电子的运动状态

半导体器件

二极管

1.半导体的基础知识

1.在自然界中，根据物质导电能力的差别，可将它们划分为：导体、绝缘体和半导体。
（1）导体：例如金属
（2）绝缘体：例如橡胶、陶瓷、塑料、石英等
（3）半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如硅Si、锗Ge、砷化镓和一些硫化物、氧化物等）。
2.半导体的特殊性质：光敏性、热敏性和掺杂性。
注：当半导体受到外界光和热的激励时，或者在纯净的半导体中加入微量的杂志，其导电能力都将显著增强。
3.（1）本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
注：本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子）。因此，本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。
（2）本征激发：半导体在热激发或光照情况下，产生自由电子-空穴对的现象。自由电子和空穴对同时消失—复合。当温度一定时，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。
注：电子-空穴对的数目对温度、光照十分敏感。温度越高，产生的电子空穴对越多，载流子的浓度越高。
（3）空穴：当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键留下的空位。
注：自由电子带负电荷；空穴视为带正电荷的粒子，其所带电量与电子相等，符号相反。
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4.两种载流子：自由电子、空穴。
（1）空穴产生后，在外加电场或其他能源的作用下，邻近的价电子可以填补到这个空位上，而这个价电子原来的位置上就产生一个新空位，以后其它电子又可以填补这个新空位。
（2）在外加电场的作用下，自由电子运动—电子流；空穴运动—空穴流。外电路的总电流等于两种电流的代数和。
（3）本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子、空穴。二者浓度总是相等。
（4）本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。载流子的浓度越高，导电能力越强。
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5.杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体。根据掺入杂质性质的不同，杂志半导体可分为：空穴（P）型半导体和电子（N）型半导体。
（1）空穴（P）型半导体：在本征半导体中掺入微量的三价元素（多子是空穴、少子是电子）。三价元素：硼、镓等。
硼原子在硅晶体中能接受电子，故称为受主杂质或P型杂志。
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注：A：在硅晶体中加入三价杂质产生空穴的同时，并不产生自由电子。
B：P型半导体中的载流子包括：由受主原子产生的空穴，浓度与受主原子相同；在原来的本征晶体中，由本征激发成对产生的自由电子和空穴。因为掺杂浓度远大于原来本征半导体中载流子的浓度，所以空穴浓度远大于自由电子浓度。
C：空穴（多子），主要由掺杂形成；电子（少子），主要由本征激发形成。
D：整个P型半导体仍呈电中性。
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（2）电子（N）型半导体：在本征半导体中掺入微量的五价元素（多子是电子、少子是空穴）。
磷：施主杂质、N型杂质。
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注：A：五价杂质原子在产生自由电子的同时，并不产生空穴。
B：磷原子多余的电子易受热激发而成为自由电子，使磷原子成为不能移动的正离子。
C：整个N型半导体仍呈电中性。
在这里插入图片描述 6.杂质半导体的特性
（1）载流子的浓度：多子浓度决定于杂质浓度，少子浓度与温度有关。
（2）体电阻：通常把杂质半导体自身的浓度称为体电阻。
（3）转型：通过改变杂质浓度，一种杂质半导体可以改型为另外一种杂质半导体。
7.载流子的漂移与扩散
（1）热激发时，半导体内的载流子作随机的无定向运动，在任意方向的平均速度为零。
（2）加电场后，载流子将受电场力的作用作定向移动。空穴的移动方向与电场方向相同；电子则逆着电场方向移动。
（3）漂移：由于电场运动而导致载流子的运动。
（4）扩散：载流子由高浓度区域向低浓度区域扩散。
8.PN结的形成
（1）在半导体两个不同的区域，分别掺入三价、五价杂质元素，便形成P型区和N型区。
（2）在交界处，出现电子、空穴的浓度差异。
（3）扩散即：P区空穴→N区；N区电子→P区。结果：多子扩散到对方并被复合掉（耗尽区）；交界处，P区留下负离子；N区留下正离子（空间电荷区）。
（4）由于正负离子的相互作用，在空间电荷区就形成一个电场，方向：N区→P区。内电场作用：促使少子漂移，阻止多子扩散。
在这里插入图片描述 8.PN结的单向导电性
（1）外加正向电压（正偏）—电源正极接P区，负极接N区。
PN结变窄，形成较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结处于导通状态。
（2）外加反向电压（反偏）—电源正极接N区，负极接P区。
PN结变宽，形成很小的反向漂移电流，呈现高电阻（可认为它基本不导电），称PN结处于截止状态。
（3）PN结的接触电位差：硅材料为0.6-0.8V，锗材料为0.2-0.3V。
9.PN结的伏安特性
在这里插入图片描述二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值（反向击穿电压）时，反向电流急剧增加，这种现象就称为PN结的反向击穿。
反向击穿：电击穿（雪崩击穿-掺杂浓度低、齐纳击穿-掺杂浓度高）、热击穿。电击穿可逆，热击穿不可逆。
（4）PN结的电容效应
扩散电容
势垒电容

2.半导体二极管

1.电路符号
在这里插入图片描述 2.二极管的特性
（1）单向导电性：正向导通，反向截止。
（2）二极管伏安特性：同PN结。
（3）正向导通压降：硅管–0.6-0.7V；锗管–0.2-0.3V。
死区电压（门坎电压）：硅管–0.5V；锗管–0.1V。
（4）二极管的伏安特性曲线对温度很敏感，温度上升，正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。
3.二极管的主要参数
（1）最大整流电流：二极管长期运行时，允许流过的最大正向平均电流。
（2）反向击穿电压
（3）反向电流：二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。它受温度影响，温度越高，反向电流越大。
（4）极间电容
4.二极管基本电路及其分析方法
（1）图解分析法
在这里插入图片描述 Q点为电路的工作点。