week1-3-半导体器件基础¶

1.1 半导体基础知识¶

本征半导体¶

• 载流子：自由电子与空穴（浓度相等）。
• 本征激发：价电子挣脱共价键成为自由电子，同时产生空穴。
• 复合：自由电子与空穴相遇时消失的过程。

杂质半导体¶

PN结的形成¶

• 扩散与漂移：
• 扩散：多子因浓度差向对方区域运动。
• 漂移：少子在内电场作用下反向运动。
• 动态平衡：扩散电流与漂移电流相等时形成耗尽层（空间电荷区）。

1.2 PN结特性¶

单向导电性¶

电流方程与伏安特性¶

• 电流方程：
  $$
  i = I_S \left( e^{\frac{u}{nU_T}} - 1 \right)
  $$
• \(U_T = \frac{kT}{q}\)（常温≈26mV）。
• 伏安特性曲线：
• 正向：开启电压硅管≈0.5V，锗管≈0.1V。
• 反向：击穿前电流≈-\(I_S\)，击穿后骤增（齐纳/雪崩击穿）。

电容效应¶

1.3 半导体二极管¶

符号与结构¶

符号：───▶|───（阳极→阴极）
结构：PN结封装，引出电极。

伏安特性¶

等效电路模型¶

1. 理想模型：导通时短路，截止时开路。
2. 恒压降模型：硅管0.7V，锗管0.2V。
3. 微变等效模型：
   - 动态电阻 \(r_d = \frac{nU_T}{I_D}\)（硅管常温≈26Ω/mA）。

稳压二极管（齐纳二极管）¶

• 特性：反向击穿区电压稳定，动态电阻 \(r_z = \frac{\Delta V_Z}{\Delta I_Z}\)。
• 参数：
• 稳定电压 \(V_Z\)，最大耗散功率 \(P_{ZM} = V_Z \cdot I_{ZM}\)。
• 应用：需串联限流电阻 \(R\)，确保 \(I_Z < I_{ZM}\)。

1.4 双极型晶体管（BJT）¶

结构与符号¶

• NPN型：发射区（N+）、基区（P）、集电区（N）。
• PNP型：发射区（P+）、基区（N）、集电区（P）。
• 符号：
  
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  NPN:  ───▶|─┬─▶|───
  PNP:  ───◀|─┴─◀|───
  

放大原理¶

• 工作状态：

特性曲线¶

• 输入特性（共射）：类似二极管伏安特性。
• 输出特性（共射）：
• 放大区：\(I_C \approx \beta I_B\)，曲线近似水平。
• 饱和区：\(V_{CE} < V_{BE}\)，\(I_C < \beta I_B\)。

主要参数¶

• 电流放大系数：
• \(\beta = \frac{I_C}{I_B}\)（直流），\(\beta_{ac} = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}\)（交流）。
• 极间电容：影响高频响应。

关键公式推导¶

1. PN结电流方程：
   $$
   i = I_S \left( e^{\frac{u}{nU_T}} - 1 \right)
   $$
   - 正向偏置时简化为 \(i \approx I_S e^{\frac{u}{nU_T}}\)。

2. 晶体管电流关系：
   $$
   I_C = \beta I_B + (1 + \beta) I_{CBO}
   $$
   - \(I_{CBO}\)：穿透电流（极小）。

总结¶

本文档覆盖半导体物理基础、PN结特性、二极管及晶体管工作原理，适合电子技术入门学习。关键点包括载流子行为、伏安特性分析、放大与开关应用。
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