模拟电路第一章常用半导体器件精Word文件下载.docx
《模拟电路第一章常用半导体器件精Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电路第一章常用半导体器件精Word文件下载.docx（61页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
10－5eV/K
ni、pi与T成指数关系，随温度升高而迅速增大。
室温下（T=300K即27oC），
1.5×
1010cm－3（Si）
2.4×
1013cm－3（Ge）
ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度（硅的原子密度为4.96×
1022cm－3）很小的百分数，故本征半导体的导电能力很弱（本征硅的电阻率约为2.2×
105Ω·
cm）。
2、杂质半导体
在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。
（1）N型半导体（电子型半导体）
在本征半导体（硅或锗）中掺入五价施主杂质（如磷、砷）而成。
其中多子是电
子，少子是空穴，还有不能自由移动（不参与导电）的正离子。
（2）P型半导体（空穴型半导体）
在本征半导体（硅或锗）中掺入三价受主杂质（如硼、铟）而成。
其中多子是空
穴，少子是电子，还有不能自由移动（不参与导电）的负离子。
（3）杂质半导体中，多子的浓度取决于掺杂的多少，其值几乎与温度无关；
且少量的掺杂便可导致载流子几个数量级的增加，故杂质半导体的导电能力显著增大。
而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，少子浓度具有温度敏感性。
（4）转型
在N型半导体中掺入比原有的五价杂质元素更多的三价杂质元素，可转型为P型；
在P型半导体中掺入足够的五价杂质元素，可转型为N型。
（5）半导体的两种导电机理——漂移和扩散
载流子在外电场作用下的定向运动称为漂移运动，所形成的电流称为漂移电流。
漂移电流的密度为：
Jt=Jpt+Jnt=q（pμp+nμn）E∝E
式中，p、n分别为空穴和电子的浓度；
q是电子电荷量；
μp、μn分别为空穴和电子的迁移率（迁移率影响半导体器件的工作频率）；
E为外加电场强度。
因浓度差而引起的载流子的定向运动称为扩散运动，所形成的电流称为扩散电流。
电子和空穴的扩散电流密度分别为：
dn（x）dp（x）
Jnd=qDn（负值）Jpd=－qDp（正值）
dxdx
式中，Dn、Dp分别为电子和空穴的扩散系数；
dn（x）/dx、dp（x）/dx分别为电子和空穴的浓度梯度。
3、PN结
（1）PN结的形成
将一种杂质半导体（N型或P型）通过局部转型，使之分成N型和P型两个部分，在交界面处出现了载流子的浓度差，导致多子互相扩散，从而形成了PN结，其过程如下：
载流子浓度差→多子扩散→电中性被破坏→空间电荷区（内电场）→
当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时→形成一定厚度的PN结。
阻碍多子扩散
利于少子漂移
空间电荷区
如图1.2所示。
（2）PN结的单向导电性
正偏时，外电场削弱内电场，PN结变薄，势垒降低，利于多子扩散，不利于少子漂移，由多子扩散形成的大的正向电流。
PN结呈现低阻，处于正向导通状态。
反偏时，外电场增强内电场，PN结变厚，势垒提高，不利于多子扩散，但利于少子漂移，由少子漂移形成很小的反向电流。
PN结呈现高阻，处于反向截止状态。
（3）PN结的击穿特性
当加在PN结上的反偏压超过一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为击穿。
按击穿机理的不同，击穿可分为齐纳击穿和雪崩击穿两种。
齐纳击穿发生于重掺杂的PN结中，击穿电压较低（＜4V）且具有负的温度系数；
雪崩击穿发生于轻掺杂的PN结中，击穿电压较高（4V～6V）且具有正的温度系数。
当PN结击穿后，若降低反偏压，PN结仍可恢复，这种击穿称为电击穿。
电击穿是可以利用的，稳压二极管便是根据这一原理制成的。
当PN结击穿后，若继续增大反偏压，会使PN结因过热而损坏，这种击穿称为热击穿。
热击穿是要力求避免的。
O
（4）PN结的伏安特性
如图1.3所示。
I=IS（eV/VT－1）（1—2）
IS─PN结的反向饱和电流；
VT─温度的电压当量（热电压）。
kT
VT=（1—3）
q
室温下,VT≈26mV
图1.3PN结的伏安特性
（5）PN结的电容效应
PN结电容Cj由势垒电容CT和扩散电容CD组成（Cj=CT+CD）。
正偏时扩散电容为主；
反偏时势垒电容为主。
利用势垒电容效应可制成变容二极管。
晶体二极管是由一个PN结，再加上电极、引线封装而成，简称二极管。
1、二极管的结构、类型、符号
表1.1示出了二极管的分类及用途。
表1.1
分类方法
主要类型
制作工艺
合金型二极管；
扩散型二极管；
合金扩散型二极管；
平面型二极管；
外延型二极管
结构形态
点接触二极管；
面接触二极管；
台面二极管；
肖特基势垒二极管；
PIN二极管；
体效应二极管；
双基极二极管；
双向二极管
应
用
范
围
普通应用
检波二极管；
整流二极管；
稳压二极管；
开关二极管；
恒流二极管
光电应用
光电二极管；
太阳能电池；
发光二极管；
激光二极管
微波应用
变容二极管；
阶跃恢复二极管；
崩越二极管；
隧道二极管；
体效应二极管
敏感应用
温敏二极管；
磁敏二极管；
力敏二极管；
气敏二极管；
湿敏二极管；
光敏二极管
其中，点接触型和平面型二极管是常用的两种。
前者结面积小，结电容小，适用于高频、小电流的场合，如检波电路；
后者的形式较多，有结面积大的，因此结电容也大，适用于低频、大电流的场合，如整流电路。
二极管的符号如图1.4所示。
图1.4二极管的符号
ER
2、二极管的伏安特性
二极管的伏安特性与PN结的伏安特性基本相同。
3、二极管的主要电参数
（1）直流参数
最大整流电流IF；
正向压降VDF；
反向电流IR；
反向击穿电压VBR；
直流电阻RD。
（2）交流参数
交流电阻rd；
结电容Cj；
最高工作频率fM。
每一型号的二极管，在技术手册中总是以极值给出上述参数。
（3）温度对二极管参数的影响
温度每升高10oC，IR增大一倍；
温度每升高1oC，VDF减小（2～2.5）mV。
4、几种特殊的二极管
（1）硅稳压二极管
①符号、伏安特性
如图1.5所示。
②主要参数
稳定电压VZ；
稳定电流IZ；
动态电阻rZ；
最大稳定电流IZM；
耗散功率PZM及VZ的温度系数αV。
IZ
图1.6变容二极管的符号
图1.5稳压管的符号及V—I特性
（2）变容二极管
变容二极管是应用十分广泛的一种半导体器件。
例如，谐振回路的电调谐；
压控振荡器；
频率调制；
参量电路等。
其符号如图1.6所示。
（3）发光二极管（LED）
光二极管是将电能转换为光能的一种半导体器件。
广泛用来构成七段数字显示器。
其符号如图1.7所示。
（4）光敏二极管
光敏二极管是将光能转换为电能的一种半导体器件。
其符号如图1.8所示。
输
出
图1.7发光二极管
图1.8光敏二极管
图1.9光电耦合器
（5）光电耦合器
光电耦合器是由发光器件和光敏器件组成的一种器件。
它是用光传输信号的电隔离器件，应用十分广泛。
如图1.9所示。
1.1.3晶体三极管（BJT）
晶体三极管也称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。
1、结构、符号、分类
（1）结构、符号
集电区
三极管有三个区——发射区、基区、集电区；
三根电极——发射极E、基极B、集电极C；
两个结——发射结Je、集电结Jc。
其结构示意图及相应的符号如图1.10所示。
E
（a）NPN型三极管（b）PNP型三极管
图1.10三极管的结构及符号
结构特点：
发射区重掺杂；
基区很薄；
集电区轻掺杂且集电结面积大。
这正是三极管具有放大作用的内部物质基础。
（2）分类
按结构不同可分为NPN型和PNP型；
按材料不同可分为硅管和锗管；
按照工作频率分可分为高频管、低频管等；
按照功率分，可分为大、中、小功率管等。
其封装形式有金属封装、玻璃封装和塑料封装等。
2、放大作用和电流分配关系
（1）直流偏置条件——Je正偏、Jc反偏。
这是三极管实现放大所需要的外部条件。
（2）直流电流分配关系
IE=IC+IB
IC=βIB+ICEO（1—4）
ICEO=（1+β）ICBO
3、伏安特性曲线
（1）共射输入特性曲线iB=f（vBE）vCE一定
如图1.11（a）所示。
vCE从零增大到约1V，曲线逐渐右移（基区宽度调制效应）；
当vCE＞1V后，曲线几乎不再移动。
因此，在工程分析时，近似认为输入特性曲线是一条不随vCE而移动的曲线。
截止区
00.20.40.60.8
（b）共射输出特性曲线
（a）共射输入特性曲线
图1.11三极管的V—I特性曲线
（2）共射输出特性曲线iC=f（vCE）iB一定
如图1.11（b）所示。
整个曲线族可划分为四个区域。
①放大区：
Je正偏、Jc反偏。
iC主要受iB的控制，由于基区宽度调制效应的影响，当iB一定，而vCE增大时，iC略有增加。
曲线上翘的程度与厄尔利电压VA的大小有关。
②截止区：
Je、Jc均反偏。
iB=－ICBO的那条曲线与横轴间的区域。
iB≈0，iC≈0。
③饱和区：
Je、Jc均正偏。
对应于不同iB的输出特性曲线几乎重合，iC不受iB控制,只随vCE增大而增大。
④击穿区：
随着vCE增大，Jc的反偏压增大。
当vCE增大到一定值时，Jc反向击穿，造成iC剧增。
集电极反向击穿电压VBR（CEO）随iB的增大而减小。
4、主要参数
共基极直流电流放大系数α；
共射极直流电流放大系数β；
极间反向电流ICBO、
ICEO。
共基极交流电流放大系数α；
共射极交流电流放大系数β；
共基极截止频率f0；
共射极截止频率fβ；
特征频率fT。
（3）极限参数
集电极最大允许电流ICM；
集电极最大允许耗散功率PCM；
击穿电压VBR（CEO）、VBR（CBO）、VBR（EBO）。
通常将ICM、PCM、VBR（CEO）三个参数所限定的区域称为三极管的安全工作区。
（4）温度对三极管参数的影响
严格来讲，温度对三极管的所有参数几乎都有影响，但受影响最大的是β、ICBO、VBE。
温度每升高1oC，β值增大0.5%～1%；
温度每升高1oC，VBE减小（2～2.5）mV；
温度每升高10oC，ICBO约增大一倍，即ICBO（T2）=ICBO（T1）×
2（T2－T1）/10
5、电路模型
（1）放大状态下三极管的模型
①数学模型
iC≈IS（evBE/VT－1）（1—5）
其中IS=αIEBS，IS是指发射极反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值。
图1.12
②直流简化电路模型
如图1.12所示。
图中，VBE（on）称为发射结导通电压。
0.7V（硅管）
0.2～0.3V（锗管）
VBE（on）=
③交流小信号电路模型
如图1.13所示。
Cb′e
rb′e
（a）低频电路模型
图1.13
VT
rb′e=（1+β）
IEQ
（1—6）
图中，
β=gmrb′e（1—7）
gm≈ICQ/VT（1—8）
rce=│VA│/ICQ（1—9）
rbb′为基区体电阻，其值较小，约几十欧姆，常忽略不计。
（2）饱和与截止状态下三极管的模型
如图1.14所示。
c
－
（b）截止状态
（a）饱和状态
图1.14
0.3V（硅管）
0.1V（锗管）
图中，VCE（sat）称为称为三极管的饱和压降。
1.1.4场效应管（FET）
晶体场效应管又称为单极型晶体管，它是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件，具有输入阻抗高、温度稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、集成度高、成本低等特点，因此已成为当今集成电路的主流器件。
1、分类、符号、特性曲线
场效应管的分类及符号见图1.15所示。
耗进型
图1.15场效应管的分类及符号
各种场效应管的特性曲线如图1.16所示。
N沟道
增强型
（b）输出特性
（a）转移特性
图1.16各种场效应管的特性曲线
2、放大状态下场效应管的电路模型
（1）数学模型
对JFET和耗进型MOSFET：
vGS2
iD=IDSS1－
VGS（off）
（1—10）
对增强型MOSFET：
（1—11）
μnCOXW
iD=（vGS－VGS（th））2
2l
式中，μn为自由电子迁移率，COX为单位面积的栅极电容量，W/l称为沟道宽长比，它是场效应管的一项重要参数。
D
（2）直流简化电路模型
如图1.17所示。
图中，ID与VGS之间满足平方律
关系。
注意该图与图1.12（三极管的直流
简化电路模型）之间的区别。
图1.17
（3）交流小信号电路模型
如图1.18所示。
Cds
d
图1.18
图中，gm称为低频跨导。
（1—12）
2IDSSIDQ
gm≈－
VGS（off）IDSS
（1—13）
gm≈2IDQ
2l
rds称为输出电阻rds=1/（λIDQ）（1—14）
式中，λ=－1/VA称为沟道长度调制系数，通常λ=（0.005～0.03）V－1。
注意图1.18图1.13（三极管的交流小信号电路模型）之间的区别。
3、主要参数
①饱和漏极电流IDSS：
IDSS指对应于VGS=0时的漏极电流。
②夹断电压VGS（off）：
当栅源电压VGS=VGS（off）时，ID=0。
以上两参数仅适用于结型场效应管和耗进型MOSFET。
③开启电压VGS（th）：
当VGS≥VGS（th）时，管子才形成导电沟道。
该参数仅适用于增强型MOSFET。
④直流输入电阻RGS：
指在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻。
对JFET，RGS在108～1012Ω之间；
对MOSFET，RGS在1010～1015Ω之间。
（2）极限参数
①栅源击穿电压V（BR）GSO
②漏源击穿电压V（BR）DSO
③最大耗散功率PDMPDM=IDVDS
（3）交流参数
①低频跨导gm
（1—15）
iD
gm=（mA/V）
vGSVDSQ
gm的大小反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制能力。
gm可以从转移特性或输出特性中求得（见式（1—12）及式（1—13））。
②输出电阻rds
vDS
rds=
iDVDSQ
（1—16）
rds说明了vDS对iD的影响，在饱和区（放大区），iD随vDS的改变很小，故rds很大（几十千欧～几兆欧）。
4、场效应管工作状态的判断
（1）截止状态的判断
截止条件：
N沟道管：
VGS＜VGS（th）（或VGS＜VGS（off））
P沟道管：
VGS≥VGS（th）（或VGS≥VGS（off））
（2）非饱和区（可变电阻区）与饱和区（放大区）的判断
若│VDS│≥│VGS－VGS（th）│，则场效应管工作在饱和区；
若│VDS│＜│VGS－VGS（th）│，则场效应管工作在非饱和区。
5、场效应管与三极管的比较
场效应管与三极管的区别见表1.2所示。
表1.2
项
较
件
类
型
目
比
器
BJT
FET
载流子
两种不同极性的载流子（电子与空穴）同时参与导电，
故称为双极型晶体管
只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故称为单极型晶体管
控制方式
电流控制
电压控制
类型
NPN和PNP型两种
N沟道P沟道两种
放大参数
β=20～100
gm=1～5mA/V
输入电阻
102～104Ω
107～1014Ω
输出电阻
rce很高
rds很高
热稳定性
差
好
制造工艺
较复杂
简单，成本低
对应电极
基极—栅极，发射极—源极，集电极—漏极
1.3典型习题详解
【1-1】在本征硅半导体中，掺入浓度为5×
1015cm－3的受主杂质，试指出T=300K时所形成的杂质半导体类型。
若再掺入浓度为1016cm－3的施主杂质，则将为何种类型的半导体？
若将该半导体温度分别上升至T=500K、600K时，试分析为何种类型半导体？
【解】本题用来熟悉：
（1）杂质半导体的类型；
（2）杂质半导体的转型问题。
（1）在本征半导体中掺入受主杂质，形成P型半导体。
（2）由于Nd＞Na，故形成N型半导体。
且多子n0=Nd－Na=5×
1015cm－3
（3）T=500K时，ni=AT3/2e－Eg0/2kT=3.49×
1014cm－3＜n0，故仍为N型半导体；
T=600K时，ni=AT3/2e－Eg0/2kT=4.74×
1015cm－3≈n0，因而变为本征半导体。
【1-2】已知硅PN结两侧的杂质浓度分别为Na=1016cm－3，Nd=1.5×
1017cm－3，试求温度在27oC和100oC时的内建电位差VB，并进行比较。
NaNd
VB≈VTln（）=0.76V
ni2
PN结的内建电位差与温度的关系。
（1）T=27oC时，ni=1.5×
1010cm－3，则
VB≈VTln（）=0.64V
（2）T=100oC时，ni=1.9×
1012cm－3，则
可见，PN结的内建电位差VB随温度的升高而减小。
【1-3】已知锗PN结的反向饱和电流为10－8A，当外加电压V为0.2V、0.36V及0.4V时，试求室温下流过PN结的电流I？
由计算结果说明PN结伏安特性的特点。
（1）PN结电流方程；
（2）PN结伏安特性的特点。
利用公式I=IS（eV/VT－1）进行计算。
当V为0.2V、0.36V及0.4V时，I分别为21.91μA、10.3mA及.48mA。
由计算结果可知，当外加电压V大于锗PN结的导通电压（0.2V）后，电压V的微小增加会引起电流I的显著增大。
II
V=VTln（+1）≈VTln（）
ISIS
【1-4】两个硅二极管在室温时的反向饱和电流分别为2×
10－12A和2×
10－15A，若定义二极管电流I=0.1mA时所需施加的电压为导通电压，试求两管的VD（on）。
若I增加10倍，试问VD（on）增加多少伏。
【解】由公式I=IS（eV/VT－1）可得：
由此可计算出：
当IS=2×
10－12A时，VD（on）=461mV；
10－15A时，VD（on）=640mV。
由于VD（on）2－VD（on）1=VTln（I2/I1），故当I2/I1=10时，VD（on）增加VTln10≈60mV。
【1-5】已知IS（27oC）=10－9A，试求温度为－10oC、47oC和60oC时的IS值。
【解】本题用来熟悉PN结的反向饱和电流IS受温度影响的问题。
温度每升高10oC，IS约增加一倍。
即IS（T2）=IS（T1）×
2（T2－T1）/10。
因此可算得；
IS（－10oC）=10－9×
2（－10－27）/10=77（pA）
IS（47oC）=10－9×
2（47－27）/10=4（nA）
IS（60oC）=10－9×
2（60－27）/10=9.85（nA）
【1-6】二极管是非线性元件，它的直流电阻和交流电阻有何区别？
用万用表欧姆挡测量的二极管电阻属于哪一种？
为什么用万用表欧姆挡的不同量程测出的二极管阻值也不同？
【解】本题用来熟悉二极管的直流电阻和交流电阻的概念。
二极管的直流电阻RD是指二极管两端所加直流电压与流过它的直流电流之比，
即：
VQ
RD=VD/ID（1—7）
二极管的直流电阻RD随Q点（静态
工作点）的不同而不同。
如题图1.1所示。
二极管的交流电阻rd是指在Q点附近
电压变化量△VD与电流变化量△ID之比,即：
rd=△VD/△ID,也就是曲
升级会员 