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第一章常用半导体器件

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1.1半导体基础知识

1.1.1本征半导体

导体形成电流：

导体一般为低价元素，最外层的点子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动而产生电流。

高价元素对电子的束缚力强，外层电子很难挣脱，所以是绝缘体。

半导体用的硅和锗属于4价元素，介于导体和绝缘体中间。

共价键：

共价键中的电子跑出来之后就成为自由电子，在原位置形成空穴。

空穴电流和电子电流，自由电子的定向移动形成电子电流，电子的移动过程中，电子将以一定的方向依次的填补空穴导致空穴也定向产生移动，故而产生空穴电流，半导体相比导体的一个特殊性就是半导体有两种载流子，空穴和电子，而导体只有电子。

本征半导体载流子的浓度公式：

ni=pi=K1T32e-EG02kT

其中：

ni和pi为电子和空穴的浓度

k为波尔兹曼常数（8.63*10-5eV/K）

EG0为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁断宽度（硅为1.21eV，锗为0.785eV）

K1是与半导体材料载流子有效质量，有效能级密度有关的常量（硅为1.87*1016cm-3*k-3/2,锗为1.76*~~~）

常温时（T=300K），硅材料ni=pi=1.43*1010cm-3，锗材料ni=pi=2.38*1013cm-3

本征半导体对温度敏感，既可以用来做热敏和光敏器件，有是造成半导体温度稳定性差的原因。

从浓度公式可以看出，本征半导体的载流子浓度只和温度有关，温度越高，浓度越大。

1.1.2杂质半导体

N型半导体：

参杂5价元素（如磷），则在共价键之外形成了自由电子。

P型半导体：

参杂3价元素（如硼），则共价键上形成空穴。

参杂的浓度越高，则多子的浓度越高，导电能力越强。

1.1.3PN结

PN结：

将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上，就形成了PN结。

PN结的平衡：

PN结合在一起的时候，电子用N扩散到P，空穴相反。

同时会形成空间电荷区（耗尽层），此电荷区的方向正好和电子扩散的方向相反，会使载流子形成漂移运动，当漂移运动和扩散运动一样的时候，就形成了平衡。

PN结正偏：

正电压加到P，加大了扩散运动，削弱了内电场，所以PN结导通，靠电子的运动形成电流。

PN结反偏：

正电压加到N，加大了内电场从而加大了漂移运动，削弱了扩散运动，但是少子的数量极少（本征半导体激发，又被参杂的综合），所以漂移电流极少，所以PN结截止。

PN结电流方程：

i=Is（equkT-1）

其中Is为反向饱和电流

q为电子电量

k为波尔兹曼常数

如果将kT/q用UT代替，则i=Is（euUT-1）

室温的时候，T=300K，UT=26mV

u为正，即PN正偏的时候，u>

>

UT，则i=IseuUT,即i和u成指数变化。

u为负，即PN结反偏的时候，u>

UT，则I=-Is

PN结伏安特性图：

反向击穿电压（UBR）：

反向击穿有两种，

1.齐纳击穿：

高浓度参杂时，耗尽区窄，不大的反向电压就可以在耗尽层形成大电场，直接破坏共价键，产生电子空穴对，导致电流极具增大。

2.雪崩击穿：

低浓度参杂是，耗尽层宽，但当电压加到一定的程度是，电场使少数电子加速漂移，与共价键中的价电子碰撞，产生电子空穴对，新产生的电子空穴对又去碰撞其他价电子，引起雪崩效应，导致电流大大增加。

从以上分析可知，高浓度参杂的击穿电压比较低。

PN结的结电容：

一种是势垒电容，一种是扩散电容。

势垒电容是耗尽层根据偏置电压的变化而变化产生的。

扩散电容是耗尽层电容浓度梯队变化产生的。

1.2半导体二极管

1.2.1二极管常见结构

二极管就是PN结+引线

PN结面积越大，允许通过的电流越大。

二极管的伏安特性：

温度升高，正向特性左移，反向特性下移

硅的导通电压为0.6~0.8，锗的导通电压为0.1~0.3

1.2.3二极管的主要参数

最大整流电流：

长期运行时允许通过的最大正向平均电流，和PN结面积有关

最高反向工作电压UR：

二极管工作中允许的最大反向电压，一般为UBR的一半

反向电流IR：

二极管未击穿时的反向电流。

IR越小，二极管的单向导电性越好

截止频率FM：

二极管上限截止频率，超过此值时，由于结电容的作用，二极管不能体现单向导通性

1.2.5稳压二极管

稳压二极管工作在击穿区，在一定的功耗范围内，电流的变化几乎不会引起电压的变化。

当然需要限制电流，比如加限流电阻，否则电流太大会烧坏管子。

主要参数有：

稳定电流IZ：

小与IZ将没有限流作用。

大没关系，只要不烧坏管子。

额定功耗PZM：

稳定电压与最大稳定电流的沉积。

动态电阻rZ：

rZ越小，稳压管稳压性能越好，因为电流的变化引起的电压变动小。

温度系数a：

UZ<

4V的管子属于齐纳击穿，有负温度特性，温度越高，UZ越小，UZ>

7V的管子属于雪崩击穿，温度越高，UZ越大，4V<

7V的管子，温度系数非常小，齐纳和雪崩都有。

1.2.6其他类型二极管

发光二极管：

开启电压比一般二极管大，红色的在1.6~1.8V，绿色的为2V，正向电流越大，发光越强。

光电二极管：

无光照时，和普通二极管一样，正偏时，电流和电压呈指数关系，反偏时电流称为暗电流。

有光照时，特性曲线往下移，照度一定时，光电二极管可等效成恒流源。

照度越大，光电流越大，在光电流大于几十微安时，与照度呈线性关系。

1.3晶体三极管

1.3.1晶体管的结构和类型

晶体管结构（NPN）：

中间的p区称为基区，很薄且杂质浓度很低—b

上层的N区为发射区，掺杂浓度很高—e

下层的N区为集电区，面积很大—c

发射极和基极的PN结为发射结

集电极和基极的PN结尾集电结

1.3.2晶体管的放大作用

共射放大电路条件，发射结正偏，集电结反偏

晶体管的放大作用表现在小的基极电流可以控制大的集电极电流。

发射极电流IE：

发射结正偏（uBE>

UON），发射区参杂浓度高，所以大量自由电子扩散运动到达基区。

扩散运动形成了发射极电流IE。

其中空穴从基极往发射极移动，但是因为基极参杂浓度低，这个电流可以忽略。

基极电流IB：

基区很薄，杂质浓度很低，集电极又加了反向电压，所以电子偏向于往集电极移动。

只有极少部分和空穴复合产生基极电流IB。

集电极电流IC：

集电结反偏，反偏的作用就是吸引从发射区扩散到基极的电子（漂移运动），形成了集电极电流IC

B=iCiB,a=iCiE=BB+1

1.3.3晶体管的共射特性曲线

输入特性曲线：

UCE一定的情况下，iB和uBE直接的关系。

UCE=0是，和PN结的伏安特性类似。

UCE增大，伏安特性右移，即相同的UBE，iB减少，因为UCE变大，集电区收集电子能力加强，导致一部分电子越过基区到集电区，导致基区电流变小。

另外当UCE达到一定程度，收集电子能力饱和之后，UCE再增大就不会使特性曲线右移了。

（UCE得比UBE大吧，这样才能算是集电结反偏吧？

）

输出特性曲线：

IB为常量时，iC和uCE之间的关系。

1.截止区：

uBE<

uon且uCE>

uBE。

认为iC=0。

2.放大区：

uBE>

uBE,uCE足够大，集电区收集电子能力饱和，iC只和iB有关，这个有个概念不能混淆，工作在放大区反而是集电区收集电子能力饱和，而工作在饱和区反而是集电区收集电子能力没饱和，要注意。

3.饱和区：

uon且uCE<

uBE：

uCE还不够大，uCE的增大能使集电区收集电子能力变大，并是iC变大。

一般认为uCB=0V时，是管子的临界饱和和临界放大状态。

1.3.4晶体管的主要参数

共射直流电流放大系数B

极间反向电流ICBO，ICEO选用管子时，应找极间反向电流尽量小的，这样温度稳定性好。

共射交流电流放大倍数B

特征频率fT：

使共射电流放大系数降为1的频率为特征频率，由于结电容的存在，如果信号频率高到一定的程度，集电极电流相比基极电流不但数值下降，还会产生相移。

1.4场效应管

1.4.1结型场效应管

场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件，仅依靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管。

输入回路内阻高达107~1012欧，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，且省电。

分为结型和绝缘栅型两种。

两个高掺杂的N区，两个高掺杂的P区，两个P区连在一起。

PN结正电压是耗尽层变窄，而负电压使耗尽层变宽，负电压越大，越宽。

UGS是负的，负的越多，夹的越紧，到最后就截止了，

没有截止的情况下，Uds会让电子从s往d跑，电流用d到s，沿着电流方向，电压是越来越小的，所以越靠近s端，电压越小，也就是说相对g端来说，反偏压差越来越小，所以沟道越来越宽，越到d端沟道越窄，也就是说，在电子运动的路上，路越来越窄

UGS一定的情况下（没有截止）UDS越大，d端的沟道也会相应变窄，而电场变大，当UDS大到一定程度，ID就不会变化了，因为d端的沟道太窄，而电场在变大，两者抵消，ID就不变了。

输出特性：

UGS为常量时，ID和UDS的关系。

可变电阻区：

预夹断轨迹为UDS=UGS-UGS（off）（UGD=UGS（off））,在预夹断轨迹左边为可变电阻区，UGD>

UGS（off）,注意，此处UGS为负的。

UGD>

UGS，表面负的少。

测试电流和UDS成线性关系。

恒流区：

UDS>

UGS-UGS（off）（UGD<

UGS（off）），此时，ID基本受UGS控制，场效应管做放大器用时，应工作在恒流区。

夹断区：

s端相比g端高太多（UGS<

UGS（off）），导致夹断了沟道，iD为0，

转移特性：

UDS为常量时，漏极电流iD于UGS的关系。

iD=IDSS（1--uGSUGS（off））,（UGS（off）<

uGS<

0）

1.4.2绝缘栅型场效应管

一共有4种：

N沟道增强型管，N沟道耗尽型管，P沟道增强型管，P沟道耗尽型管。

UGS加正电压，吸引正离子靠近绝缘层，正离子排斥空穴从而加宽耗尽层，而正离子吸引电子从而形成反型层，成为导电沟道。

UGS达到一定程度（UGS（th）），则会形成导电沟道。

然后再加UDS电压，则电子从S到D，电流从D到S，而且，越靠近D端，反偏电压越高，则耗尽层越宽，UDS高到使UGD=UGS（th）时沟道关闭，这是管子进入恒流去，因为继续增大UDS，不会让电流增加，因为加大的电压和沟道关闭导致的阻力抵消，电流不变。

此时，电流的大小仅和UGS相关

三个工作区：

夹断区，可变电阻区和恒流区。

可变电阻和恒流区的临界点是UGD=UGS（th）

iD=IDO（uGSUGS（th）-1）2

IDO是UGS=2UGS（th）时的电流

N沟道耗尽型管就是在绝缘层加了正离子，不需要UGS的情况下就可以形成反型层，所以就是N沟道增强型管子的转移特性往左移就是了。

第二章基本放大电路

2.1放大的概念和放大电路的主要性能指标

输入电阻：

输入电阻越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路所得到的输入电压越接近信号源，换言之，信号源内阻上的压降越小，信号的损失越小。

输出电阻：

输出电阻越小，负载电阻变化时，负载的电压变化越小，成为放大电路的带负载能力越强。

2.3放大电路的分析方法

放大电路分析的目的就是求解静态工作点和各项动态参数（AU，RI，RO）

直流通路：

1.电容为开路2.电感为短路3.信号源当短路，但要保留电阻

交流通路：

1.容量大的电容（如耦合电容）视为短路2.无内阻的直流电源视为短路

分析放大电路时，应先静态，后动态，静态工作点用直流通路，动态参数用交流通路。

简化的h参数模型

rbe~=rbb’+BUTICQ，rbb’手册上会写出，UT=26mv

rbe有动态电阻的概念，在电流越大的情况下，发射结的动态电阻越小

基本共射放大电路动态参数：

1.Au=Uo/Ui=-BRcRb+rbe

2.Ri=Ui/Ri=Rb+rbe

3.Ro=Rc

对电子电路输出电阻进行分析时，可令信号源电压Us=0，但保留内阻Rs，然后在输出端加一正弦波测试信号Uo，必然产生动态电流Io,则Ro=Uo/Io。

由于rbe和Q点紧密相关，所以动态参数和Q点紧密相关。

另外要指出，放大电路输入电阻和信号源内阻无关，输出电阻和负载无关。

2.4放大电路静态工作点的稳定

温度上升，B增大，IC增大，所谓的稳定Q点，通常指在环境温度发生变化时静态集电极电流ICQ和管压降UCEQ基本不变。

可以引入反馈网络来达到目的。

典型如下：

这种将输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量的措施成为反馈，由于此反馈的结果使输出量的变化减少，故称为负反馈，Re为反馈电阻。

当发射极的电阻放到输入段来算的时候要乘1+B,同理，基极的电阻放到发射极来算的时候要除以1+B,这是因为算电阻的时候通常用到电压的加减，而两端的电流有1+B的关系，所以电阻也要相应的变化。

2.5晶体管单管放大的三种基本接法