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),形成了空间电荷区模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件_第1张图片
    • 漂移运动扩散运动的平衡
  • 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

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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 I_F IF: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 f_M fM: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

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稳压二极管

  • 伏安特性
  • 主要参数
    • 稳定电压 U Z U_Z UZ:同一型号的稳压管之间 U z U_z Uz存在一定差别,但是就某一只管子而言, U Z U_Z UZ应为确定值。
    • 稳定电流 I Z I_Z IZ: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 α = δ U Z / δ T \alpha = \delta U_Z / \delta T α=δUZ/δT: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
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晶体管的结构及类型

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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 I_E IE
  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 I_B IB
  3. 集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流 I C I_C IC

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 I_E IE);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 I_B IB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 I_C IC)。

  • 晶体管电流的分配关系
    注: I E N I_{EN} IEN为发射区向基区扩散所形成的电子电流; I E P I_{EP} IEP为基区向发射区扩散所形成的空穴电流; I B N I_{BN} IBN为基区内复合运动所形成的电流; I C N I_{CN} ICN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 C B O I_{CBO} ICBO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 E N + I E P = I C N + I B N + I E P I_E = I_{EN} + I_{EP} = I_{CN} + I_{BN} + I_{EP} IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP
    I C = I C N + I C B O I_C = I_{CN} + I_{CBO} IC=ICN+ICBO
    I B = I B N + I E P − I C B O = I B ′ − I C B O I_B = I_{BN} + I_{EP} - I_{CBO} = I_B' - I_{CBO} IB=IBN+IEPICBO=IBICBO
    从外部看
    I E = I B + I C I_E = I_B + I_C IE=IB+IC
  • 共射电流放大系数
    近似等式 i c = β i B i_c = \beta i_B ic=βiB
    α = Δ i C Δ i E = β 1 + β \alpha = \frac{\Delta i_C}{\Delta i_E} = \frac{\beta}{1+\beta} α=ΔiEΔiC=1+ββ

晶体管的共射特性曲线

  • 输入特性曲线模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件_第6张图片
    U C E U_{CE} UCE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 C E U_{CE} UCE的增大而形成集电极电流,因此 I B I_B IB将会减小;若要获得相同大小的基极电流,需要增大 U B E U_{BE} UBE。当 U C E U_{CE} UCE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 I_B IB基本不会随着 U C E U_{CE} UCE的增大而变化。
  • 输出特性曲线
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    • 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 B E < U o n u_{BE} < U_{on} uBE<Uon u C E > u B E u_{CE} > u{BE} uCE>uBE。此时, I B = 0 I_B = 0 IB=0,而 i C < I C E O i_C < I_{CEO} iC<ICEO。小功率硅管的 I C E O I_{CEO} ICEO在1uA以下,锗管的 I C E O I_{CEO} ICEO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 i_c = 0 ic=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 B E > U o n u_{BE} > U_{on} uBE>Uon u C E > u B E u_{CE} > u{BE} uCE>uBE。此时, i c i_c ic几乎仅决定于 i B i_B iB,而与 u C E u_{CE} uCE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 B E > U o n u_{BE} > U_{on} uBE>Uon u C E < u B E u_{CE} < u{BE} uCE<uBE。此时, i C i_C iC不仅和 i B i_B iB有关,而且明显随 u C E u_{CE} uCE增大而增大, i C i_C iC小于 β I B \beta I_B βIB。在实际电路中,若晶体管的 u B E u_{BE} uBE增大时, i B i_B iB随之增大,但 i C i_C iC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 C E = u B E u_{CE} = u{BE} uCE=uBE,即 u C B = 0 u_{CB} = 0 uCB=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 β \beta β
    • 共基直流电流放大系数 α \alpha α
    • 极间反向电流: I C B O I_{CBO} ICBO是发射结开路时集电结的反向饱和电流。 I C E O I_{CEO} ICEO是基极开路时,集电极与发射极之间的穿透电流, I C E O = ( 1 + β ) I C B O I_{CEO} = (1 + \beta)I_{CBO} ICEO=(1+β)ICBO。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 C B O I_{CBO} ICBO增加约一倍
  • 对输入特性的影响(温度升高,正向特性左移) ∣ u B E ∣ |u_{BE}| uBE具有负温度系数,温度升高1摄氏度,大约下降2~2.5 mV
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  • 输出特性的影响:温度升高时, β \beta β增大
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光电三极管

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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 I_B IB用入射光强E取代。

场效应管(Field Effect Transistor, FET)

分为结型绝缘栅型

结型场效应管

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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. u D S = 0 u_{DS} = 0 uDS=0时(d,s短路), u g s u_{gs} ugs对导电沟道的控制作用:
    模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件_第12张图片
  • u g s = 0 u_{gs} = 0 ugs=0,耗尽层很窄,导电沟道很宽;
  • ∣ u g s ∣ |u_{gs}| ugs增大,耗尽层变宽,沟道变窄,沟道电阻增加。当 ∣ u g s ∣ |u_{gs}| ugs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 g s ∣ |u_{gs}| ugs为夹断电压 ∣ u g s , o f f ∣ |u_{gs, off}| ugs,off
  1. ∣ u g s ∣ |u_{gs}| ugs大于零小于夹断电压时, ∣ u d s ∣ |u_{ds}| uds对于 i D i_D iD的影响 模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件_第13张图片
    1. u g d = u g s − u d s > U g s , o f f u_{gd} = u_{gs} - u_{ds} > U_{gs, off} ugd=ugsuds>Ugs,off的情况下,对应不同的 u g s u_{gs} ugs,d-s间等效成不同阻值的电阻;
    2. u d s u_{ds} uds使得 u g d = U g s , o f f u_{gd} = U_{gs, off} ugd=Ugs,off时,d-s之间预夹断。
    3. u d s u_{ds} uds使得 u g d < U g s , o f f u_{gd} < U_{gs, off} ugd<Ugs,off时, i d i_d id几乎仅仅决定于 u g s u_{gs} ugs,而与 u d s u_{ds} uds无关。此时可以把 i D i_D iD近似看成 u g s u_{gs} ugs控制的电流源
  • 输出特性曲线
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    • 可变电阻区:虚线为预夹断轨迹,满足 u g d = U g s , o f f u_{gd} = U_{gs, off} ugd=Ugs,off。可以通过改变 u g s u_{gs} ugs的大小来改变d-s等效电阻阻值。
    • 恒流区(也称饱和区): u g d < U g s , o f f u_{gd} < U_{gs, off} ugd<Ugs,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 g s < u g s , o f f u_{gs} < u_{gs, off} ugs<ugs,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 g s , i D u_{gs}, i_D ugs,iD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 D S U_{DS} UDS,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
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    用LTspice仿真理解预夹断的概念

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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

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单结晶体管具有负阻特性,可利用此特性构成振荡器。
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晶闸管(Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier, SCR)

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  • 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 B 2 i_{B2} iB2,则其集电极电流为 β 2 i B 2 \beta_2i_{B2} β2iB2;T1管的基极电流 i B 1 = β 2 i B 2 i_{B1} = \beta_2i_{B2} iB1=β2iB2,因而T1管的集电极电流 i C 1 = β 1 β 2 i B 2 i_{C1} = \beta_1\beta_2i_{B2} iC1=β1β2iB2;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 I_H IH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
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    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
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  • 其他类型
    模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件_第23张图片
    上管多用于数字电路。
    模拟电子技术基础 --1. 常用半导体器件_第24张图片
    此管多用于集成放大电路中的电流源电路。

集成单极型管

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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 β \beta β值大;横向晶体管的 β \beta β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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