模拟电子技术基础（第六版）第一章

模拟电子技术

第1章 常用半导体器件

1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

• 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体

• 本征半导体中的两种载流子¹
• 自由电子：在常温下，仅有极少数的价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，从而挣脱了共价键的束缚变成了自由电子
• 空穴：与此同时，在共价键中留下了一个空位置，成为空穴

• 本征激发：半异体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发
• 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合

1.1.2 杂质半导体

• 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体

• N型半导体²（电子半导体）：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N 型半导体
  • 多子（多数载流子）：自由电子
  • 少子（少数载流子）：空穴
  • 施主原子：由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子
• P型半导体³（空穴半导体）：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体
  • 多子：空穴
  • 少子：自由电子
  • 受主原子：因杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主原子

• 多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，少子的浓度对温度非常敏感

1.1.3 PN结

• PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结
• PN结具有单向导电性

• PN结的形成

  • 扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动
  • 空间电荷区（耗尽层）：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，它们是不能移动的，称为空间电荷区（耗尽层⁴），从而形成内电场
  • 漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动
  • 在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目．从而达到动态平衡，形成PN结

• PN结的单向导电性⁵

  • 正向导通：PN结外加正向电压时处于导通状态
    • PN结外加正向电压（正向接法/正向偏置）：当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的P端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN结的N端时
      • 外电场使空间电荷区变窄，由于电源的作用，扩散运动将源源不断地进行，从而形成正向电流， PN结导通
  • 反向截至：PN结外加反向电压时处于截止状态
    • PN结外加反向电压（反向接法/反向偏置）：当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的N端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN 结的P端时
      • 外电场使空间电荷区变宽，阻止扩散运动，加剧漂移运动，形成反向电流，也称漂移电流；少子数目极少，所以反向电流非常小，认为PN结处于截止状态

• PN结的电流方程

  • PN 结所加端电压u 与流过它的屯流i 的关系为
    $$i=I_s(e^{\frac{qu}{kT}}-1)$$
    式中$I_s$为反向饱和电流,$q$为电子的电量,$k$为玻尔兹曼常数,$T$为热力学温度。将式中
    的$kT/q$用$U_T$取代（$U_T=\frac{kT}{q}$）,则得
    $$i=I_s(e^{\frac{u}{U_T}}-1)$$
    常温下，即$T$ = 300 K 时,$U_T\approx 26$ mV,称$U_T$为温度的电压当量

• PN结的伏安特性

  • 由上式，当PN结外加正向电压,且$u\gg U_T$时,$i\approx I_s{e}^{\frac{u}{U_T}}$,即$i$随$u$按指数规律变化；当PN结外加反向电压, 且$|u|\gg U_T$时,$i\approx -I_S$。画出t 与u 的关系曲线如下图所示，称为PN结的伏安特性。其中$u>0$的部分称为正向特性,$u<0$​的部分称为反向特性

    

• 反向击穿：当反向电压超过一定数值$U_{(BR)}$后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿

  • 击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况
  • 无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结的永久性损坏

• PN结的电容效应

  • 势垒电容：当PN结外加的反向电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增大或减小，这种现象与电容器的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容$C_b$

  • 扩散电容

    • 平衡少子：PN 结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子

    • 非平衡少子：PN 结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子

      外电压增大时，非平衡少子数目增多；外电压减小时，非平衡少子数目减小。扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容效应称为扩散电容$C_d$

  • 由此可见,PN结的结电容$C_j$是$C_b$与$C_d$之和，即
    $$C_j=C_b+C_d$$
    由于$C_b$与$C_d$一般都很小（结面积小的为1pF左右，结面积大的为几十至几百皮法），对于
    低频信号呈现出很大的容抗，其作用可忽略不计，因而只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用

1.2 半导体二极管

1.2.1 半导体二极管的几种常见的结构

• 点接触型二极管
• 面接触型二极管
• 平面二极管

1.2.2 二极管的伏安特性

• 二极管和PN结的伏安特性区别
  和PN结一样，而二极管具有单向导电性

  • 开启电压：使二极管开始导通的临界电压称为开启电压$U_{on}$

  • 反向饱和电流：当二极管所加反向电压的数值足够大时，反向电流基本不变，称之为反向饱和电流$I_s$

  • 击穿电压$U_{(BR)}$：反向电压太大将使二极管击穿

    

• 温度对二极管伏安特性的影响

  ​ 在环垃温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移

1.2.3 二极管的主要参数

• 最大整流电流$I_F$
  • $I_F$是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流
• 最高反向工作电压$U_R$
  • $U_R$是二极管工作时允许外加的最大反向电压
• 反向电流$I_R$
  • $I_R$是二极管未击穿时的反向电流
• 最高工作频率$f_M$
  • $f_M$是二极管工作的上限截止频率

1.2.4 二极管的等效电路

能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路,也称为二极管的等效模型

• 由伏安特性折线化得到的等效电路（直流模型）

  

• 图（a)，理想二极管

• 图（b）

  • 硅管：$U_{on}=0.7V$

  • 锗管：$U_{on}=0.2V$

• 图（c），直线斜率为$\frac{1}{r_D}$,等效电路是理想二极管串联电压源$U_{on}$和电阻$r_D$,且$r_D=∆U/∆I$

解题步骤：

1. 标出D"+" “-”
2. 断开D，求V₊ V_-
3. 恢复D，求D状态

• 二极管的微变等效电路

  • 将二极管等效成一个动态电阻$r_d$,且$r_d=\Delta u_D/\Delta i_D$,称之为二极管微变等效电路/交流等效电路，利用二极管的电流方程可以求出$r_d$
    $$\frac{1}{r_d}=\frac{\Delta i_D}{\Delta u_D}\approx \frac{\mathrm{d}{i}_D}{\mathrm{d}{u}_D}=\frac{\mathrm{d}[I_s(e^{\frac{u}{U_T}}-1)]}{\mathrm{d}u}\approx \frac{I_s}{U_T}\cdot e^{\frac{u}{U_T}}\approx \frac{I_D}{U_T}(I_D=I_s{e}^{\frac{u}{U_T}})$$

    $$r_d\approx \frac{U_T}{I_D}$$

    式中的$I_D$是Q点的电流。由于二极管正向特性为指数曲线，所以Q点愈高,$r_d$的数值愈小

    

1.2.5 稳压二极管

稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性

• 稳压管的伏安特性

  ​

• 稳压管的主要参数

  • 稳定电压$U_Z$:$U_Z$是在规定电流下稳压管的反向击穿电压

  • 稳定电流$I_Z$:$I_Z$是稳压管工作在稳压状态时的参考电流

  • 额定功耗$P_{ZM}$:$P_{ZM}$等于稳压管的稳定电压$U_Z$与最大稳定电流$I_{ZM}$（或记作$I_{Zmax}$)的乘积

  • 动态电阻$r_z$:$r_z$是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比，即$r_z=\Delta U_Z/\Delta I_Z$

  • 温度系数$\alpha$：$\alpha$表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即$\alpha =\frac{\Delta U_z}{\Delta T}$

    限流电阻：由于稳压管的反向电流小于$I_{Zmin}$时不稳压，大于$I_{Zmax}$时会因超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作，故称这个电阻为限流电阻

1.3 晶体三极管

晶体三极管中有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电，故称之为双极型品休管(BJT），又称半导体三极管，以下简称晶体管

1.3.1 晶体管的结构及类型

• NPN型硅材料晶体管
  • 基区：位于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低
  • 发射区：位于上层的N区是发射区，掺杂浓度很高
  • 集电区：位于下层的N 区是集电区，面积很大
• 三个电极：
  • 基极（b）
  • 发射极（c）
  • 集电极（e）

1.3.2 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且集电结反向偏置

• 晶体管内部载流子的运动

  $\Delta u_1=0$

  • 

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

• 晶体管的电流分配关系

  • 由发射区向基区扩散所形成的电子电流为$I_{EN}$

  • 基区向发射区扩散所形成的空穴电流为$I_{EP}$

  • 基区内复合运动所形成的电流为$I_{BN}$

  • 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为$I_{CN}$

  • 平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流为$I_{CBO}$
    $$I_E=I_{EN}+I_{EP}=I_{CN}+I_{BN}+I_{EP}$$

    $$I_C=I_{CN}+I_{CBO}$$

    $$I_B=I_{BN}+I_{EP}-I_{CBO}=I_B^{\prime }-I_{CBO}$$

  从外部看
  $$I_E=I_C+I_B$$

• 晶体管的共射电流放大系数

  • 电流$I_{CN}$与$I_B^{\prime }$之比称为共射直流电流放大系数$\overline{\beta }$
    $$I_C=\overline{\beta }{I}_B+(1+\overline{\beta })I_{CBO}=\overline{\beta }{I}_B+I_{CEO}$$

    $$\because I_B\gg I_{CBO},\overline{\beta }\gg 1$$

    $$\therefore I_C\approx \overline{\beta }{I}_B$$

    $$I_E\approx (1+\overline{\beta })I_B$$

  • 若有输入电压$\Delta u_1$作用，则品体管的基极电流将在$I_B$基础上叠加动态电流$\Delta i_B$，当然集电极电流也将在$I_C$基础上叠加动态电流$\Delta i_C$,$\Delta i_C$与$\Delta i_B$之比称为共射交流电流放大系数，记作β，即
    $$\beta =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}$$
    在$|\Delta i_B|$不太大的情况下，可以认为
    $$\beta \approx \overline{\beta }$$

  • 当以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时，$I_{CN}$与$I_E$之比称为共基直流电流放大系数
    $$\overline{\alpha }=\frac{I_{CN}}{I_E}$$

    $$I_C=\overline{\alpha }{I}_E+I_{CBO}$$

    $$\overline{\beta }=\frac{\overline{\alpha }}{1-\overline{\alpha }}或\overline{\alpha }=\frac{\overline{\beta }}{1+\overline{\beta }}$$

  • 共基交流电流放大系数α定义为集电极电流变化量与发射极电流变化量之比

$$\alpha =\frac{\Delta i_C}{\Delta i_E}=\frac{\beta }{1+\beta }$$

​ 通常$\beta \gg 1$,故$\alpha \approx 1$;而且与>$\beta \approx \overline{\beta }$相同,$\alpha \approx \overline{\alpha }$

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

• 三个工作区域
  • 截止区：发射结反偏，集电结反偏
  • 放大区：发射结正偏，集电结反偏
  • 饱和区：发射结正偏，集电结正偏

管子类型	截止区	放大区	饱和区
NPN型管	$u_{BE}<U_{on}$	$u_{BE}>U_{on}且u_{CE}\ge u_{BE}$	$u_{BE}>U_{on}且u_{CE}<u_{BE}$
PNP型管	$u_{BE}>U_{on}$	$u_{BE}<U_{on}且u_{CE}\le u_{BE}$ (即$u_C\ge u_B>u_E$)	$u_{BE}<U_{on}且u_{CE}>u_{BE}$ (即$u_C<u_B<u_E$)

1.3.4 晶体管的主要参数

直流参数与交流参数前文有讲

• 极限参数
  • 最大集电极耗散功率$P_{CM}$
  • 最大集电极电流$I_{CM}$
  • 极间反向击穿电压
    • $U_{(BR)CBO}$是发射极开路时集电极－基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压
    • $U_{(BR)CEO}$是基极开路时集电极－发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受反向电压
    • $U_{(BR)EBO}$是集电极开路时发射极－基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压

温度对晶体管特性及参数的影响

• 温度对$I_{CBO}$的影响
  • 温度每升高10℃，$I_{CBO}$增加约一倍。反之，当温度降低时$I_{CBO}$减小
• 温度对输入特性的影响
  • 与二极管伏安特性相类似，当温度升高时，正向特性将左移
• 温度对输出特性的影响
  • 温度升高时，由于$I_{CEO}、\beta$增大，且输入特性左移，所以导致集电极电流增大

1.4 场效应管

场效应管(FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件．并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管

1.4.1 结型场效应管

• 结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型
  • 栅极g
  • 漏极d
  • 源极s
  • 导电沟道：P区与N区交界面形成秏尽层，漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道

​ 恒流区中$i_D$d 近似表达式为
$$i_D=I_{DSS}{\left(1-\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}\right)}^2(U_{GS(off)}<u_{GS}<0)$$
​ 式中$I_{DSS}$是$u_{GS}=0$情况下产生预夹断时的$I_D$,称为饱和漏极电流

​ 应当指出，为保证结型场效应管栅－源间的耗尽层加反向电压，对千N沟道管,$u_{GS}\le 0$V对于P沟道管,$U_{GS}\ge 0$V

1.4.2 绝缘栅型场效应管

• 绝缘棚型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO₂绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管

​ $i_D$与$u_{GS}$的近似关系式为
$$i_D=I_{DO}{\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)}^2$$
式中$I_{DO}$是$u_{GS}=2U_{GS(th)}$时的$i_D$

场效应管三个工作区域的极间电压

管子类型	截止区	恒流区	可变电阻区
N沟道结型管	$u_{GS}<u_{GS(off)}$	$u_{GS(off)}<u_{GS}<0$ 且$u_{GD}<u_{GS(off)}$	$u_{GS(off)}<u_{GS}<0$ 且$u_{GD}>u_{GS(off)}$
P沟道结型管	$u_{GS}>u_{GS(off)}$	$0<u_{GS}<u_{GS(off)}$ 且$u_{GD}>u_{GS(off)}$	$0<u_{GS}<u_{GS(off)}$ 且$u_{GD}<u_{GS(off)}$
N沟道增强型 MOS管	$u_{GS}<u_{GS(th)}$	$u_{GS}>u_{GS(th)}$ 且$u_{GD}<u_{GS(th)}$	$u_{GS}>u_{GS(th)}$ 且$u_{GD}>u_{GS(th)}$
N沟道耗尽型 MOS管	$u_{GS}<u_{GS(off)}$	$u_{GS}>u_{GS(off)}$,可大于0 且$u_{GD}<u_{GS(off)}$	$u_{GS}>u_{GS(off)}$,可大于0 且$u_{GD}>u_{GS(off)}$
P沟道增强型 MOS管	$u_{GS}>u_{GS(th)}$	$u_{GS}<u_{GS(th)}$ 且$u_{GD}>u_{GS(th)}$	$u_{GS}<u_{GS(th)}$ 且$u_{GD}<u_{GS(th)}$
P沟道耗尽型 MOS管	$u_{GS}>u_{GS(off)}$	$u_{GS}<u_{GS(off)}$,可大于0 且$u_{GD}>u_{GS(off)}$	$u_{GS}<u_{GS(off)}$,可大于0 且$u_{GD}>u_{GS(off)}$

注：恒流区的$u_{GD}$可以拆封为$u_{GS}-u_{DS}$（便于理解）

1.4.3 场效应管的主要参数

• 直流参数
  • 开启电压$U_{GS(th)}$
  • 夹断电压$U_{GS(off)}$
  • 饱和漏极电流$I_{DSS}$
  • 直流输入电阻$R_{GS(DC)}$

• 交流参数

  • 低频跨导$g_m$
    g m = Δ i D Δ u G S ∣ U D S = 常数 g_m=\left.\frac{\Delta i_D}{\Delta u_{GS}}\right|_{U_{DS}=常数} gm​=ΔuGS​ΔiD​​ ​UDS​=常数​

  • 极间电容：场效应管的三个极之间均存在极间电容

• 极限参数
  • 最大漏极电流$I_{DM}$
  • 击穿电压：漏－源击穿电压$U_{(BR)DS}$
  • 最大耗散功率$P_{DM}$

1.4.4 场效应管与品体管的比较

不总结了，自己看书吧

更新时间：2023.10.8
内容：第一章

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1. 运载电荷的粒子称为载流子 ↩︎

2. N为negative（负）的开头，由于电子带负电，故此得名 ↩︎

3. P为positive（正）的开头，由于空穴带正电，故此得名 ↩︎

4. 绝大部分空间电荷区内日由电子和空穴都非常少，在分析PN 结特性时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方法称为＂耗尽层近似＂，故也称空间电荷区为耗尽层 ↩︎

5. 如果在PN 结的两端外加电压，就将破坏原来的平衡状态。此时，扩散电流不再等于漂移电流，因而PN 结将有电流流过。当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能，即呈现出单向导电性 ↩︎