模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件

半导体基础知识

本征半导体

• 导体导电只有一种载流子-自由电子；本征半导体有两种载流子–自由电子和空穴；自由电子的移动即是自由电子的移动，而空穴的移动则是价电子的移动。
• 在一定温度下，本征激发产生的载流子与复合的数目相等，达到动态平衡，因此一定温度下，本征半导体中的载流子浓度是一定的。
• 如果本征半导体外加电场，其载流子的运动情况是怎么样的？
• 本征半导体导电能力很差，且与温度密切相关，可利用这一特性制作热敏或光敏器件。

杂质半导体

• P（positive，多数载流子为空穴带正电）\N（negative，多数载流子为电子带负电）
• PN结
  • 形成：当P型和N型半导体制作在一起后，两种载流子的浓度差很大，P区的空穴向N区扩散，N区的自由电子向P区扩散。扩散到N区的空穴和自由电子复合，扩散到P区的自由电子与空穴复合；所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区（所谓离子，是电子数目和原子核电荷数目不相等的原子，自然也就是不能移动的），形成了空间电荷区。
  • 漂移运动与扩散运动的平衡
• PN结的单向导电性
  • 正向电压：外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱；扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。
  • 反向电压：外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也叫漂移电流。然而，因为少子数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，所以在近似分析中将它忽略不计，认为PN结处于截止状态。
• PN结的伏安特性
  • 齐纳击穿：在高掺杂的情况下，耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，直接破坏共价键，产生电子-空穴对，致使电流急剧增加。可见齐纳击穿电压较低。
  • 雪崩击穿：掺杂浓度低，则低反向电压不会出现齐纳击穿。但是当反向电压增加到较大的数值后，耗尽层的电场使少子的漂移速度加快，从而与共价键的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生空穴-电子对。新产生的电子又会去撞击其他共价键，载流子雪崩式地倍增。
• PN结的电容效应
  • 势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容
  • 扩散电容：非平衡少子。扩散区内少子浓度分布从耗尽层开始逐渐衰减直到零。外加电压增大，非平衡少子浓度增大；反之降低。这种在扩散区内电荷的积累与释放过程与电容器充放电类似，因此这种电容效应被称为扩散电容。

半导体二极管

二极管常见结构

伏安特性

参考PN结的伏安特性

二极管的主要参数

• 最大整流电流$I_F$：与PN结面积以及外部散热条件有关
• 最高反向工作电压
• 反向电流（对温度非常敏感）
• 最高工作频率$f_M$：超过此值时，由于结电容的作用，二极管不能很好地体现单向导电性

二极管的等效电路

稳压二极管

• 伏安特性
• 主要参数
  • 稳定电压$U_Z$：同一型号的稳压管之间$U_z$存在一定差别，但是就某一只管子而言，$U_Z$应为确定值。
  • 稳定电流$I_Z$：电流低于此值时，稳压效果变差。不超过功耗的情况下，电流越大，稳压效果越好。
  • 额定功耗
  • 动态电阻
  • 温度系数$\alpha =\delta U_Z/\delta T$：稳定电压小于4V的管子具有负温度系数（属于齐纳击穿），温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数（属于雪崩击穿）；而稳定电压在4~7V之间的管子，温度系数非常小，近似为零（齐纳击穿和雪崩击穿均有）

晶体三极管(Bipolar Junction Transistor, BJT)

常见形态

晶体管的结构及类型

晶体管的电流放大作用

使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置q且集电结反向偏置。

1. 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流$I_E$
2. 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流$I_B$
3. 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流$I_C$

举个例子

小明（B）、小刚（E）、小红（C）。小明馋了，想吃火锅，但是他既没有锅，也没有食材。但是他知道，小刚有食材，小红那里有一口锅。于是，小明心生一计，他跟小刚说，咱们吃火锅吧，我这里有锅，你带着食材来就行了；然后跟小红说，我这里有食材，你把锅烧热准备好，咱们吃火锅。于是，小刚背着一堆牛羊肉和菜来到小明家里，发现小明根本就没有锅，正要生气，小明跟小刚说，别急啊，锅给你准备好了，就在隔壁小红家呐！于是，小明就带着小刚和食材去了小红家，半路上，小明还把小刚做好的小酥肉给吃了几块。就这样，一个火锅三人局就快乐地组起来了。

同样的，在三极管中，发射结的pn结正偏，发射极的大量自由电子准备通过扩散运动到B极去($I_E$)；在去之前，发射极并不知道其实基极并没有足够的地方来容纳它的自由电子；到了之后才发现，扩散运动根本实现不了啊，基区的空穴太少了（$I_B$很小），根本不可能达到稳态，那怎么办呢？哎，这些自由电子忽然发现，由于集电结的反偏，正好符合它们做漂移运动的条件，于是它们就越过了集电结，到达集电区，形成了漂移电流（$I_C$）。

• 晶体管电流的分配关系
  注：$I_{EN}$为发射区向基区扩散所形成的电子电流；$I_{EP}$为基区向发射区扩散所形成的空穴电流；$I_{BN}$为基区内复合运动所形成的电流；$I_{CN}$为基区内非平衡少子（即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子）漂移至集电区所形成的电流；$I_{CBO}$为平衡勺子在集电区和基区之间的漂移运动所形成的电流。
  $I_E=I_{EN}+I_{EP}=I_{CN}+I_{BN}+I_{EP}$
  $I_C=I_{CN}+I_{CBO}$
  $I_B=I_{BN}+I_{EP}-I_{CBO}=I_B^{\prime }-I_{CBO}$
  从外部看
  $I_E=I_B+I_C$
• 共射电流放大系数
  近似等式 $i_c=\beta i_B$
  $\alpha =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_E}=\frac{\beta }{1+\beta }$

晶体管的共射特性曲线

• 输入特性曲线
  $U_{CE}$增大时，曲线将右移。因为有发射区注入基区的非平衡少子会随着$U_{CE}$的增大而形成集电极电流，因此$I_B$将会减小；若要获得相同大小的基极电流，需要增大$U_{BE}$。当$U_{CE}$超过一定数值之后，集电结的电场已经足够强，可将绝大部分非平衡载流子收入到集电区，因此$I_B$基本不会随着$U_{CE}$的增大而变化。
• 输出特性曲线
  
  • 截止区：其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路，$u_{BE}<U_{on}$且$u_{CE}>uBE$。此时，$I_B=0$，而$i_C<I_{CEO}$。小功率硅管的$I_{CEO}$在1uA以下，锗管的$I_{CEO}$小于几十uA。因此在近似分析中可以认为晶体管截止时的$i_c=0$
  • 放大区：其特征是发射结正向偏置且集电结反向偏置。对于共射电路，$u_{BE}>U_{on}$且$u_{CE}>uBE$。此时，$i_c$几乎仅决定于$i_B$，而与$u_{CE}$无关。
  • 饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏置。对于共射电路，$u_{BE}>U_{on}$且$u_{CE}<uBE$。此时，$i_C$不仅和$i_B$有关，而且明显随$u_{CE}$增大而增大，$i_C$小于$\beta I_B$。在实际电路中，若晶体管的$u_{BE}$增大时，$i_B$随之增大，但$i_C$增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和状态。对于小功率管，可以认为当$u_{CE}=uBE$，即$u_{CB}=0$时，晶体管处于临界状态，即临界饱和或临界放大状态。
    在模拟电路中，绝大多数情况下应保证晶体管工作在放大状态。

晶体管的主要参数

在计算机辅助设计和分析中，根据晶体管的结构和特性，要用几十个参数全面描述它。

• 直流参数
  • 共射直流电流系数$\beta$
  • 共基直流电流放大系数$\alpha$
  • 极间反向电流：$I_{CBO}$是发射结开路时集电结的反向饱和电流。$I_{CEO}$是基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电流，$I_{CEO}=(1+\beta )I_{CBO}$。选用管子时，极间反向电流应尽量小。硅管比锗管小2~3个数量级，因此温度稳定性更好。

温度对晶体管特性及参数的影响

• 温度每升高10摄氏度，$I_{CBO}$增加约一倍
• 对输入特性的影响（温度升高，正向特性左移）$|u_{BE}|$具有负温度系数，温度升高1摄氏度，大约下降2~2.5 mV
  
• 输出特性的影响：温度升高时，$\beta$增大
  

光电三极管

依据光照强度来控制集电极电流的大小。将参变量基极电流$I_B$用入射光强E取代。

场效应管（Field Effect Transistor, FET）

分为结型和绝缘栅型

结型场效应管

在同一块N行半导体上制作两个高掺杂的P型半导体，并将它们链接在一起，引出电极为栅极g。 P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层称为导电沟道。

• 工作原理：

1. 当$u_{DS}=0$时（d,s短路），$u_{gs}$对导电沟道的控制作用：
   

• 当$u_{gs}=0$，耗尽层很窄，导电沟道很宽；
• 当$|u_{gs}|$增大，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻增加。当$|u_{gs}|$增大到某一数值，耗尽层关闭，沟道消失，电阻趋于无穷大。此时的$|u_{gs}|$为夹断电压$|u_{gs,off}|$

2. 当 $|u_{gs}|$大于零小于夹断电压时，$|u_{ds}|$对于$i_D$的影响
   1. 在$u_{gd}=u_{gs}-u_{ds}>U_{gs,off}$的情况下，对应不同的$u_{gs}$，d-s间等效成不同阻值的电阻；
   2. 当$u_{ds}$使得$u_{gd}=U_{gs,off}$时，d-s之间预夹断。
   3. 当$u_{ds}$使得$u_{gd}<U_{gs,off}$时，$i_d$几乎仅仅决定于$u_{gs}$，而与$u_{ds}$无关。此时可以把$i_D$近似看成$u_{gs}$控制的电流源

• 输出特性曲线
  
  • 可变电阻区：虚线为预夹断轨迹，满足$u_{gd}=U_{gs,off}$。可以通过改变$u_{gs}$的大小来改变d-s等效电阻阻值。
  • 恒流区（也称饱和区）：$u_{gd}<U_{gs,off}$。利用场效应管作放大管的时候，应使其工作在该区域。
  • 夹断区：$u_{gs}<u_{gs,off}$（负值）。
  • 击穿区
• 转移特性：在输出特性的恒流区做横轴的垂线，读出与各曲线的交点，建立$u_{gs},i_D$坐标系，即得到转移特性曲线。当工作在可变电阻区的时候，对不同的$U_{DS}$，转移特性将有很大差别。

绝缘栅型场效应管

Insulated Gate Field Effect Transistor, IGFET. 栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此叫绝缘栅。 同时，由于栅极为金属，故也称为MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor）。

MOS管和结型场效应管的导电机理和电流控制原理均不相同。

分为P沟道和N沟道两种，其中，每一类又分别有增强型和耗尽型两种，故一共有四种。
凡栅源电压为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型；凡栅源电压为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型。

• N沟道增强型MOS管导电原理
  
  
  用LTspice仿真理解预夹断的概念

上图为LTspice对于器件BSB012N03LX3的仿真波形。绿色波形为MOS管两端的电压，此时栅源电压为3V；可以看到随着栅源电压的增加，电流的赠完并不是一直呈线性的，到了一定的值后，电流的值便基本不再变化，也即对应“预夹断”阶段

• N沟道耗尽型MOS管
  在制造MOS时，在SiO2中掺入大量正离子，那么即使栅源电压等于零，此时P型衬底表层也存在反型层。
• 场效应管和晶体管的比较
  • 要求输入电阻高的电路应选用场效应管；若信号源可以提供一定的电流，则可选用晶体管
  • 场效应管只有多子参与导电，而晶体管内既有多子又有少子。少子数目受温度、辐射影响比较大，因此场效应管的温度稳定性更好、抗辐射能力强。
  • 场效应管的集成工艺更简单，且耗电少、工作电源电压范围宽，因此场效应管越来越多地应用于大规模和超大规模集成电路。

单结晶体管（Unijunction Transistor, UJT）和晶闸管

单结晶体管

单结晶体管具有负阻特性，可利用此特性构成振荡器。

晶闸管（Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier, SCR）

• 晶闸管的工作原理
  • 控制极不加电压，阻断状态
  • 当晶闸管的A和C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压的时候，J3处于导通状态；若T2管的基极电流为$i_{B2}$，则其集电极电流为${\beta }_2{i}_{B2}$；T1管的基极电流$i_{B1}={\beta }_2{i}_{B2}$，因而T1管的集电极电流$i_{C1}={\beta }_1{\beta }_2{i}_{B2}$；该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程成为触发导通过程。
  • 什么时候这个正反馈过程可以停下来呢？参考晶体管的输出特性曲线。最终的稳态。
  • 晶闸管一旦导通，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此时，阳极A和阴极C之间的电压一般为0.6~ 1.2V；阳极电流可达几十~ 几千安培
• 晶闸管如何关断
  • 正向阻断：将阳极电流降低到维持电流$I_H$以下
  • 反向阻断：改变A-C电压极性

集成电路中的元件

集成双极型管

• NPN型
  
  先造隔离岛（利用PN结反向电阻很大的特性）；然后造出基区，然后制造发射区和集电区，最后制造各极引出窗口，就成为了NPN型管。
• PNP型管
  
• 其他类型
  
  上管多用于数字电路。
  
  此管多用于集成放大电路中的电流源电路。

集成单极型管

集成MOS管的结构和分立式MOS完全相同。常采用N沟道MOS和P沟道MOS组成的互补电路（简称CMOS电路）。
功耗小、工作电压范围宽、输入电流非常小、连接方便，是目前应用广泛的集成电路之一。

集成电路中的无源器件

集成电路中的各种无源元件的制造不需要特殊工艺，例如，用NPN型管的发射结作为二极管和稳压管，用NPN型管基区体电阻作为电阻，用PN结势垒电容或MOS管栅极与沟道间等效电容作为电容等。
这样会不会影响各种PN结及其组合作为开关管的正常功能呢？

集成电路中元件的特点

1. 具有良好的对称性。
2. 电阻与电容的数值有一定限制。电阻阻值范围为几十欧~ 几千欧，电容容量一般小于100pF。
3. 纵向晶体管的$\beta$值大；横向晶体管的$\beta$值小，但PN结耐压高。
4. 用有源器件取代无源器件。由于纵向NPN管占用硅片面积小且性能好，而电阻和电容占用硅片体积大且取值范围窄，因此，在集成电路的设计中尽量多采用NPN型管，而少用电阻和电容。
   NPN型管和电阻电容能实现相同的功能吗？

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