成为模电高手之半导体器件篇

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前言

        在本篇文章中，我将结合自己的学习经验，深入解析半导体器件的工作原理及其在实际电路中的应用，希望能为那些与我一样刚刚踏入模拟电路世界的同学们提供一些启发和帮助，下面直接跳过千篇一律的模电发展史，直奔主题啦！

        如图这里只简单提一下数电和模电的区别，具体的介绍我将链接放在下面啦。

CSDN

一、什么是半导体以及PN结的形成与作用

        导电性质介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体有硅（Si），锗（Ge），两者均为四价元素，导电的本质是电子的运动，而这两者最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间，所以顾名思义为半导体。

        本征半导体：是纯净（无杂质）的晶体结构（稳定的结构）的半导体。

1、本征半导体内部结构

        如图，电子（负电荷载体），空穴（正电荷载体）是两种不同的载流子，外加电场时，它们在内部的运动（相对）使半导体呈现导电性，然而由于载流子数目较少，所以导电性较差。当温度升高时，由于热运动数目增加，导电性随之增强。

2、杂质半导体内部结构

（1）、N型半导体（带负电）

如图所示，在纯净的半导体中引入杂质离子磷(施主杂质)，+5价磷原子的四个电子与周围的硅离子形成共价键后多出一个电子从而形成自由电子，外层电子都丢失的磷离子带上了正电。

（2）、P型半导体（带正电）

同理啦，P型半导体的施主杂质为三价的硼元素，由于三价元素的电子数不足，这个电子缺位可以看作是一个空穴，硼原子吸收电子后形成带负电的硼离子。的上述过程中占比较多的载流子称为多子，反之称为少子。

至于为什么要参杂进入杂质离子呢？下面给出一些具体数据：

3、PN结的形成及其单向导电性

（1）、扩散运动

        如图，两种带电性质不同的载流子由于浓度差异，互相吸引运动从而产生内电场（记住并非是直接产生电哈）。

（2）、漂移运动

        如图，扩散运动导致两区的交界面形成了内电场，即交界处P取呈负电排斥相同极性的自由电子，交界处N区呈正电排斥带正电的空穴，从而形成动态平衡产生了PN结。

（3）、PN结形成的单向导电性

        前面说到P区硼离子带负电，N区磷离子带正电，所以内电场方向是由N区为正P区为负（如左边的图N->P）。外加电场由P指向N（与内电场相反，起到了抵消内电场的作用），导致了耗尽层变窄，从而促进了载流子的扩散运动最终形成扩散电流。有图同理呀，大家可自行推导~

（4）、PN结的电容效应

         只需要记住PN结具有电容效应，由于电容隔直通交的特性，所以当外加电压频率达到一定程度时，PN结就会失去导向导电性。

        补充：半导体器件的温度稳定性差，由于跑出一个自由电子时对应着一个空穴的产生，所以分母基数差不多，少子的比例相应较低。而少子是由于热激发产生的，随着温度升高，热激发作用增强，导致少子的比例大幅增加，因而导致半导体器件的温度稳定性差。

 二、二极管

        经过上述有关PN结的介绍后，我们就能比较清晰的了解接下来二极管单向导通的性质啦。二极管实际上核心部分就是一个PN结，在外加电场的情况下，允许电流从阳极（正极，P区，空穴）流向阴极（负极，N区，自由电子），但反向阻止电流流动。

1、二极管的伏安特性与受温度影响

         如图所示，右上角为二极管的伏安特性曲线图，右下角的图表对应着两种材质二极管的重要参数（记住了）。

        如图，很容易的看得出温度上升后：开启电压降低，反向饱和电流增加。

补充：经过推导后（略）得出：正向导通时，二极管压降为0.7V（常见）

2、二极管的稳压作用

        稳压二极管即将二极管反接，如图在第三象限。达到稳定电压Uz时，一点点的电压变换区间能对应非常大的电流区间，即在最大电流与最小电流之间，二极管的电压几乎相当于不变的，利用这一点就能起到稳压的作用; 注意最下方文字，限流电阻必不可少哈（对应右方R电阻），在电路中判断是否起到稳压作用，假设起到了稳压作用，将稳定电压带入，算出R所带电流，判断这个电流是否在电流范围内。

3、其他二极管

         二极管多种多样，不同的地方所用的二极管自然也不同，最常用的二极管也就是大家喜闻乐见的发光二极管。下面介绍一些二极管：光电二极管，激光二极管，太阳能二极管，肖特基二极管（常用在高频电路中），具体功能这里就不作具体介绍啦，感兴趣大家可自行了解。

三、三极管

1、三极管的放大作用

【终于有人讲了，凭什么三极管能放大?】https://www.bilibili.com/video/BV1fB4y147Gn?vd_source=7beec3ced57aa9410a349f3a9036f6df

         上述视频直观有清晰地为我们讲解了PN结的形成与三极管是如何起到放大作用的。

下面介绍如何判断三极管的三个引脚以及分别对应的字母：

        不管是PNP型化石NPN型二极管，带箭头的引脚为发射极（emitter），单独一边的为基极（base），剩下的一边为集电极（collector）。下面以NPN型二极管为例：

发射极电流等于集电极电流加上基级电流，即： I（e）= I（c）+ I（b）;                       

集电极电路等于 β倍的基级电流，即：I（c）=  β * I（b）；

又因为基级电流很小，所以发射极电流约等于集电极电流。

        补充：导通条件（NPN）如图，正偏：P->N（P电压大于N）；反偏：P<-N（同理）；靠近发射极的PN结称为发射结，同理集电极；

        NPN导通时，电流从集电极流向发射极；只有集电极（N）电压大于基级电压（P）->（ 集电极反偏）；发射极（P）电压小于基级（N）电压->（发射极正偏），图中Uon为0.7V。

2、三极管的输入输出特性

3、三极管的工作区域

4、温度对三极管特性的影响

图中I（ce0）是指b开路时，三极管集电极与发射极之间流动的少量电流。

5、三极管主要参数

        上述图形大家看一看记一记就好，在实际应用中可以通过查手册了解属性（考试除外）。

结尾：

        由于本人技术还有待精进，不免会有些许不太对的地方，希望佬们直接指出问题并给出合理参考，最后如果文章对您有帮助，请点点赞，关注支持一下吧，后续会持续更新相关文章哦（最近摸鱼更新有点慢嘿嘿）。