笔记·模拟电子技术基础——郑益慧老师

前言

郑益慧老师的讲课视频见下方，本文主要记录学习过程中对于郑老师讲课内容的笔记以及思考。

【电子】模拟电子技术基础 上交大 郑益慧主讲（模拟电路/模电 讲课水平堪比华成英，视频质量完爆清华版）_哔哩哔哩_bilibili

第一章  1.1 常用半导体器件 

一、半导体基础知识

1.1 半导体概念

        半导体：导电性能界于导体与绝缘体之间。

        本征半导体：是一种纯净的半导体，具有晶体结构的半导体。

1.2本征半导体的晶体结构

        Si原子的四个价电子与相邻的Si原子的四个价电子共同组成共价键。

        这些价电子被共价键束缚，需要摆脱共价键的束缚成为自由电子，才能够导电。

本征半导体的晶体结构

1.3 载流子

        本征激发产生的自由电子、空穴称为载流子。

1.3.1    本征激发

        本征激发包含三部分内容  ：热运动 、自由电子、空穴。

        热运动：若粒子所处环境不在绝对零度，会产生热运动。

        自由电子：在热运动作用下，价电子可能逃跃共价键的束缚，成为自由电子。

        空穴：电子脱离共价键成为自由电子后，在原来共价键位置留下一个空穴。

 本征激发

1.3.2    自由电子

        在摆脱共价键的束缚后，自由电子便能够导电，但是由于数量较少，导电性能较弱。

1.3.3    空穴

        价电子（共价键中的电子）在电场的作用下发生移动，填补空穴，而原位置又多了一个空穴。从而，空穴的位置不断地发生相对移动，因此空穴也能够导电。

1.4 复合 → 本征激发的逆过程

        自由电子在脱离空穴后运动的过程中，可能会回到空穴。此时，空穴被填补，同时自由电子重新被共价键束缚，这一对载流子就失效了。

1.5 载流子的浓度 → 决定本征半导体的导电能力

        由于是热运动，因此随着温度的升高，本征激发的速率加快，从而导致了更多的自由电子以及空穴的出现。因此，载流子浓度也逐渐增大（导电能力增加），同时，复合的速率也随之增加。在一定温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。

1.6 杂质半导体

1.6.1 概念

        本征激发产生的载流子数量较少，无法为半导体带来较好的导电能力。而加热同样无法无限提升半导体的导电能力，因此需要通过其他方式提高其导电能力。因此利用本征半导体的可掺杂性提高其导电能力。        

        在本征半导体中惨入少量的杂质元素，通过这种办法造出载流子。

        少量：掺入少量杂质元素，不会改变晶格结构，依旧是以四价元素为主。

1.6.2 N型半导体 → negative 负电

        在Si原子中参入少量五价的磷（P），其为五价元素，外围空间存在五个电子。其中四个电子与Si原子的电子组成共价键，另外一个成为自由电子。（此时固定在晶格里的P成为带正电的磷离子，不导电）

        因此，此时自由电子的浓度极高（甚至上百万倍），称为多子（主要导电载流子）；空穴，则称为少子。

        （1）多子：受温度影响极小，因此多子数量极多；

        （2）少子：受温度影响极大。

        （3）施主原子：磷为半导体供应的载流子，自身带正电。

        因此，在N型半导体中，多子由掺杂浓度决定，温度影响小；少子由本征激发决定，温度影响大。

        在半导体中，与少子相关的特性，受温度影响较大。

 N型半导体 

 1.6.3 P型半导体 → positive 正电

        在Si原子中参入少量三价的硼，其为三价元素，外围空间存在三个电子。三个电子与Si的外围电子组合成为共价键，Si剩余的一个共价键作为空穴存在。

        其中，空穴为多子，自由电子为少子。

  P型半导体 

1.6.4 为什么不参加6价元素？

        在单晶硅里，如果掺杂的是5价元素外围有5个电子，4个成键就剩1个电子不成键，所以那个成不了键的孤独的电子会比较愿意跑出去，用术语说就是电离能量比较低，所以容易5价元素掺杂容易是导带附近的浅能级。6价元素的话4个成键，剩下2个电子或许还能搭个伴，成双对的电子不那么愿意跑出去，术语说就是电离能量相对较高，一般是导带附近的深能级。

1.7 PN结

1.7.1 扩散运动

        粒子总是从浓度高的位置向浓度低的方向运动。

        当P型与N型放一起时，P型中空穴不断朝低浓度N区移动，N型自由电子向P区移动，在中间相遇，互相结合形成中间电荷区。磷正价离子与硼负价离子形成一个电场，阻碍碰撞的继续。 

 PN结的形成 

         其中，空间电荷区又称为：耗尽层、阻挡层以及PN结

1.7.2 势垒

（1）扩散运动

        自由电子与空穴的扩散运动仍然在进行，但是由于势垒的存在，大部分无法越过势垒进入高浓度区域，但是也会有少部分能够翻过势垒。

        当没有逆向运动时，只要时间足够，扩散运动必定持续进行。

（2）漂移运动

        在电场力的作用下，P区少子（自由电子）能够很快地进入N区。

        N区的少子（空穴）也受电场力影响。

 势垒 

1.8 对称结

        当P区、N区掺杂浓度相同时，PN结中正离子区和负离子区的宽度也一样。

1.9 不对称结

        当P区、N区掺杂浓度不同时，浓度高的一边PN结宽度变窄。

        因为浓度高向浓度低扩散，浓度越高，扩散地越多，对面的PN结也就越宽。

二、 PN结的单向导电性

2.1 加正向电压

        最开始只发现了正电荷，因此规定电流移动的方向为正电荷移动的方向。而实际上造成金属导体中的电流是由于负电荷（自由电子）的定向移动（电流的反方向）。

        电场方向与电流方向、电压方向都相同。电场方向总是从正极指向负极。

        外电场削弱了内电场的作用，导致势垒极大下降，扩散运动重新得以恢复，电流迅速增大。因此，在电路中加一个R电阻，起限流作用。

        PN结：因此正向电压为P指向N

 PN结加正向电压时导通

2.2 加反向电压

        PN结加反向电压时，外电场与内电场方向相同，势垒不断加高，扩散运动被阻碍，此时PN结为截止状态。

        此时，漂移运动被加强，但漂移运动为少子的运动，电流极小可以忽略不计。同时，由于其主要受少子影响，因此温度对其的影响极大。

  PN结加反向电压时截止

三、 PN结的伏安特性

3.1 PN结的伏安曲线

        基于此，能够得到PN结的伏安特性曲线，反向电压时电流较小，当反向电压过大时PN结被击穿，因此出现骤升的电流。正向电压较小时，电流也较小，随着电压的逐渐升高，电流呈指数上升。

 PN结的伏安特性曲线

3.2 PN结的电流方程

        电流方程为一个指数方程，

其中，Ut是一个温度相关的量，将温度转为电压，当温度为室温时，其值为26mV。U为PN结的电压。Si做基材的PN结，在U为0.6~0.7V时，PN结导通。Is为反向饱和电流。

3.3 PN结的正向特性

        存在死区，死区的大小由基材决定。Si做基材时，死区为0.6V~0.7V。Ge做基材时，死区为0.2V~0.3V。

3.4 PN结的反向特性

        反向电流Is，Ge做基材时，反向电流大于Si做基材时的反向电流。

        反向击穿，当反向电压到达一定幅值，即反向击穿PN结，使得电流急剧上升。

        （1）雪崩击穿

         PN结掺杂浓度低时，PN结宽度在外加电场作用加不断加长，形成一个类似于粒子加速器的区域，自动电子撞击共价键，使得更多自由电子的出现。

        温度越高，雪崩击穿需要的电压越高。

        （2）齐纳击穿

        PN结掺杂浓度高时，宽度虽然不大，但是电场强度较大，直接从共价键中将价电子拉出。

         温度越高，齐纳击穿需要的电压越低。（温度越高，价电子越容易拉出来）

        反向击穿后，PN结电流导致了其温度升高，导致PN结烧毁。当反向击穿时温度不高，并马上恢复正常状态时，PN结还能使用。

3.5 掺杂浓度与反向击穿电压的影响

        掺杂浓度越低，反向击穿电压越高；掺杂浓度越高，反向击穿电压越低。通过不同掺杂浓度，控制器反向击穿电压。

四、PN结的电容效应

4.1 电容

        电容反应电量与电压的关系，当两端的电压发生变化时，其电荷量也发生变化。

        在相同的电压范围内，电容值的不同，代表着，电容能够储存的电荷量不同。

4.2 势垒电容 （反向电压）

        势垒电容不是线性的，随着反向电压的增加，其P区N区的电荷量逐渐增大，与电容的概念相同。

  PN结的势垒电容

4.3 扩散电容 （正向电压）

        当施加的正向电压发生变化时，其两端的电荷量也会随之发生改变，这种性质称为电容。由非平衡少子和电压之间的关系构成的。

        如图所示，2为在1的基础上增大电压，P区少子 浓度增大，3为在1的基础上减小电压，P区少子浓度减小。因此在电压升高时，电荷量增大，电压降低时，电荷量减少。这就是扩散电容。

   P区的少子浓度分布曲线

第一章  1.2 半导体二极管

一、二极管的伏安特性

1.1 体电阻

        由于体电阻的存在，在相同的电压下，电流比PN结小，因为电阻变大。

1.2 反向电流        

        在接反向电压时，不仅PN结上的电阻存在漂移电流，其外壳也存在表面的泄露电流，但同样，泄露电流的大小还是非常小的。但也比PN结更大。

1.3 温度影响

        当温度升高时，正向电流曲线向左移动（死区变小），反向电流曲线向下移动（漂移电流增大）。

        温度升高时，粒子的热运动会加剧，本征激发增多。在相同电压下，温度高的电流比温度低的电流要更大。反向下移，是由于温度升高，少子的影响更为明显。

        在室温前提下，每升高1摄氏度，正向压降减小2~2.5mV。每升高10摄氏度，反向电流增大一倍。

 二极管的伏安特性曲线

二、二极管的主要参数

2.1   最大整流电流

        二极管最大的整流电流，二极管能够长期正常工作时，能够正向通过的平均电流的最大值。

        即，代表着二极管能够正常工作时，能通过的功率电流值

2.2  最高反向工作电压

        反向电压使得二极管截止，但加到一定程度后，将出现反向击穿现象。

        UR不能等于反向击穿电压UBR，应当存在一定的余量，一般为66%。

2.3  反向电流

        也就是上述所说的Is，漂移电流。其值越小，证明其反向截止特性越好。

2.4  最高工作频率

        也就是上限频率。PN结上存在结电容，虽然容值极小，为pF级别。当频率较小时，其容抗较大，相当于断路，反向截止效果仍存在。

        但是，随着频率的上升，容抗不断下降，削弱了反向截止效果，直至近似于导通。

        即，高频电路中，二极管容易短路。

三、二极管的等效电路

3.1 二极管的阻值

        根据二极管的伏安特性曲线，可以明显看出其阻值为非线性的。

        在实际的使用中，更偏向于采用等效电路，用线性元件替代非线性元件。

3.2 伏安特性折线化

        （a）图为理想二极管的等效电路图。舍弃了零点几伏的死区压降。

        （b）图采用开关电压，补偿死区压降。 导通后，压降几乎保持不变，上下误差在0.1V左右。该近似等效电路在实际中使用最多，忽略压降较小的误差。

        （c） 图较为接近真实情况，但实际使用较少。

二极管等效电路

 3.3 限幅电路

         在二极管导通后，其电压稳定在导通电压附近，因此将正弦信号截顶。

        采用了两个特性：（1）单向导电性 （2）二极管导通后，其电压变化极小。

限幅电路

3.4 整流电路

        在这里采用了理想二极管，因此所有电压都加至R两端，反向截止，因此反向电压为0。

整流电路

 3.5 直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路

        直流电压源将整个电路推至二极管导通状态下工作。交流源电压幅值较小。

直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路