模拟电子技术基础 第一章 常用的半导体器件.docx

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模拟电子技术基础第一章常用的半导体器件

第一章常用的半导体器件

半导体基础知识

导体：

非常容易导电一般金属都是导体

结构：

低价元素，最外层电子少于4个

其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

1.1绝缘体:

基本不导电如：

橡胶、陶瓷、塑料等

高价元素，原子的最外层电子受原子核的束缚力很强

1.2半导体：

导电性能介于导体和绝缘体之间

常用的硅、锗均为四价元素

1.11本征半导体

现代电子学中，用的最多的半导体材料是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。

通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。

即本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。

一、本征半导体的晶体结构

晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，形成本征半导体的共价键结构。

常温下价电子很难脱离共价键的束缚成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，其导电能力很弱。

温度升高或受到光的照射时，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。

因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。

半导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。

本征半导体外加电场：

由电子定向移动，形成电子电流

价电子依次填补空穴，空穴定向移动，形成空穴电流

本征半导体电流是两个电流之和。

本征半导体中有两种载流子，自由电子和空穴均参与导电。

二、本征半导体中载流子的浓度

一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，且自由电子与空穴的浓度相等。

温度升高，热运动加剧，自由电子增多，空穴也随之增多，即载流子的浓度升高，导电性能增强。

本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。

T=0K，自由电子与空穴的浓度均为零，本征半导体为绝缘体。

本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。

3EGO2（2kT）nipiK1Te

1.1.2杂质半导体

在本征半导体中掺入掺入少量合适的杂质元素

一、N型半导体掺入五价元素（如磷）

杂质原子最外层有五个价电子，除了与其它硅原子形成共价键，还多出一个电子。

杂质原子可以提供电子，称之为施主原子。

N型半导体中的电子产生：

1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。

2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。

掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度，主要靠自由电子导电。

注：

掺入杂质的浓度不同，导电性不同

∴N型半导体中：

自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。

二、P型半导体掺入三价元素（如硼）

杂质原子最外层有三个价电子，与周围原子形成共价键会形成空位。

硅原子的外层电子来填补空位，在共价键中产生空穴。

P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。

1.1.3PN结

一、PN结的形成

将P型半导体和N型半导体制作在同一硅片上

在P型半导体和N型半导体的交界面处，两种载流子的浓度差很大，载流子进行扩散运动。

P区的空穴向N区扩散交界面处自由电子与空穴复合

N区的电子向P区扩散

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。

N区指向P区。

促使少子漂移阻止多子扩散

最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡

P型半导体和N型半导体结合面，形成PN结。

当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。

此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。

因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。

扩散电流等于漂移电流，PN结内没有电流流过。

二、PN结的单向导电性

在PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。

①加正向电压电源正极接PN结的P端，负极接N端

P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。

②加反向电压电源负极接PN结的P端，正极接N端

（1）PN结加正向电压时的导电情况

外加的正向电压方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。

于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。

扩散电流源源不断进行，形成正向电流，PN结导通。

（2）PN结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。

内电场阻止扩散运动进行，加剧漂移运动，形成反向电流。

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

现象：

PN结外加正向电压，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：

PN结具有单向导电性。

注：

PN结导通时结压降只有零点几伏，所以应在它所在回路串联一个电阻，以限制回路电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

三、PN结的电流方程

理论分析表明：

PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：

IS—反向饱和电流，q—电子的电量

k—玻尔兹曼常数，T—热力学温度

令UT=kT/q，则得

常温下，即T=300K时，UT≈26mV。

四、PN结的伏安特性

当PN结外加正向电压，且u>>UT时，

即i随u按指数规律变化；

当PN结外加反向电压，且|u|>>UT时，i≈-ISqukTiIS（e1）qukTiISe

当反向电压超过一定数值后，反

向电流急剧增加，称为反向击穿。

击穿：

齐纳击穿、雪崩击穿

齐纳击穿掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄

不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空穴对，致使电流急剧增大。

∴齐纳击穿电压较低，一般低于4V

雪崩击穿掺杂浓度较低，耗尽层宽度宽

低电压下不会发生齐纳击穿，当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子—空穴对，新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加。

雪崩击穿电压一般大于6V

击穿电压介于4V~6V，齐纳击穿和雪崩击穿有可能同时发生。

PN结的击穿并不意味着损坏，但是若不对电流加以限制都均可能造成PN结的永久损坏。

当反向电压增加使PN结刚开始击穿时，反向电流还不大，此时若降低反向电压，PN结仍能正常工作。

（电击穿）

当电击穿后，继续提高反向电压，流过PN结的反向电流增大到一定值，会使PN结因过热而损坏。

（热击穿）

五、PN结的电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。

（1）势垒电容Cb

表征耗尽层内电荷量的变化。

（2）扩散电容Cd

表征耗尽层外中性区（P区和N区）内电荷量的变化。

（1）势垒电容Cb

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。

（2）扩散电容Cd

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。

外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面处的非平衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，浓度自高到低逐渐衰减，直至零。

形成一定的浓度梯度（浓度差），形成扩散电流。

外加正向电压增大，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度增大。

从外部看即正向电流（扩散电

流）增大。

（3）结电容Cj

PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和，即：

Cj=Cb+Cd

1.2半导体二极管

将PN结封装，引出两个电极，就构成二极管。

由P区引出阳极阴极由N区引出

二极管符号

箭头表示正向电流的流通方向。

二极管符号

结面积小，不能通过较大电流,结电容小,工作频率高

（a）点接触型

结面积大，允许通过的电流大；

结电容大工作频率低

（b）面接触型

半导体二极管的型号

国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：

二、二极管的伏安特性

二极管与ＰＮ结伏安特性的区别：

（1）相同点：

与PN结一样具有单向导电性

（2）区别：

二极管存在引线电阻和体电阻相同电流，二极管的管压降>PN结的管压降

（1）外加正向电压u>0正向区又分为三段：

第一段，0＜u＜Uon正向电流为零

Uon:

二极管开始导通的开启电压

开启电压：

硅管Uon=0.5V左右，锗管Uon=0.1V左右。

第二段，当U＞Uon，且U较小时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。

第三段，当U＞Uon，且U较大时，正向电流增长很快，且导通电压随正向电流增长而增长很小，基本不变。

导通电压：

硅管UD=0.7V左右，锗管UD=0.2V左右。

（2）外加反向电压u<0反向区分为两个区域：

第一段，U（BR）＜u＜0反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。

第二段，u≤U（BR）反向电流急剧增加U（BR）:

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值，称为反向击穿电压

三、温度对二极管伏安特性的影响

T（℃）↑

正向特性左移

反向特性下移

反向饱和电流IS↑

二极管的特性对温度很敏感

四、二极管的主要参数

（1）最大整流电流IF：

在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因结温升过高而烧坏。

（2）最高反向工作电压UR：

二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时二极管有可能因反向击穿而损坏。

最高反向工作电压只取反向击穿电压UBR的一半

（3）反向电流IR：

反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。

（4）最高工作频率fM：

二极管工作的上限截止频率。

超过此值时，因结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。

五、二极管的等效电路

二极管伏安特性：

非线性线性元件表示

（1）理想模型：

相当于开关

一定条件

①导通时，管压降UD=0V；

VIR理想模型误差最大

（2）恒压降模型：

②反偏时，二极管截止，IS=0

①导通时，管压降U=U；

Don

②反偏时，二极管截止，恒压降模型应用最为普遍

I=0S

（３）折线模型

②反偏时，二极管截止，I=0S

rDU/I

硅管U=0.7V;D

V

UonIRrD

折线化模型误差最小

（4）微变等效模型

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。

U>U，电流Ｉ与电压Ｕ成线on

性关系，直线斜率为1/rD

ui=0直流电源作

uD

UT用动态信号作用时，二极管两端的电压及通过它的电流沿伏安特性曲线在Q点处做微小变动.

diDd[IS（e1）]ISe11duDduDUTuDUTIDUT

可以用以Ｑ点为切点的直线来近似微小变化时的曲线.即将二极管等效成一个动态电阻

rduD/iD

1

即

rdiDdiDuDduDUTrdID

I----Q点的电流DQrT=300K,U=26mv

1.2.5稳压二极管

一、稳压二极管的构成

稳压管二极管是一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。

击穿性质：

稳压管外加反向电压，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。

二极管外加反向电压，会被击穿，只要限制它的反向电流，不发生热击穿，PN结就不会被烧坏。

稳压二极管符号

二、稳压管的伏安特性

（1）正向特性与普通二极管特性相同

（2）反向电压发生电击穿时，反向电流变化范围内，管子两端电压基本不变。

（实现稳压）

三、稳压管的参数

（1）稳定电压UZ：

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向击穿电压。

（这个数值随工作电流和温度的不同略有改变）

（2）稳定电流IZ：

最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin

最小稳定电流Izmin：

保证可靠击穿所允许的最小反向电流，当IZ＜Izmin，不能起稳压作用。

最大稳定电流IZmax：

保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流。

Iz>IZmax，PN结会因结温过高而损坏。

（3）动态电阻rZ：

稳压管两端电压变化与电流变化的比值；

进入稳压区的最小电流

电流变化时，UZ的变化越小，rZ越小，稳压管的稳压特性越好。

（4）额定功耗PZM：

最大工作电流受额定功耗的限制，

高而损坏。

（5）温度系数：

PZM=UZIZmax，稳压管的功耗超过此值时，会因结温升过

温度的变化将使UZ改变，表示温度每变化1℃稳压值的变化量。

即：

rZ=UZ/IZ

雪崩击穿电压随温度升高而提高，具有正温度系数;齐纳击穿电压随温度升高而降低，具有负温度系数。

因此，稳定电压为6伏的稳压管，由于两种机理同时存在，其温度系数可接近于零。

四、稳压管使用注意事项：

1、要实现稳压，稳压管应工作在反向导通状态。

2、要防止稳压管因电流过大而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一只电阻来限制电流，以保证稳压管正常工作。

称此电阻为限流电阻。

稳压管的工作条件:

（1）外加电压反偏且大于反向击穿电压，即工作在反向击穿区。

（2）工作电流I必须满足：

IZmin＜I＜IZmax。

1.2.6其它类型二极管

一、发光二极管（LED）

=UZ/T

电流范围一般为（10mA-20mA）

外加正向电压越大，正向电流越大，发光越强。

注：

不要超过其最大正向电流，防止被烧坏。

开启电压较一般二极管高，红色的在1.6～1.8V之间，绿色的约为2V。

二、光电二极管发光二极管与一般二极管类似，只有当外加正向电压使得正向

电流足够大时才发光。

PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化

照度一定时，光电二极管可等效成恒流源。

如光电池

照度越大，光电流越大。

照度一定时，光电二极管可等效成恒流源。

如光电池无光照情况下：

与普通二极管一样，加正向电压时电流与端电压成指数关系；

加反向电压时反向电流称为暗电流。

1.3晶体三极管简称晶体管

双极型晶体管（BJT）:

两种带有不同极性的载流子参与导电

一、晶体管的结构及类型

在同一硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。

按材料分：

硅管、锗管

按结构分：

NPN、PNP

按使用频率分：

低频管、高频管有光照情况下：

加反向电压时产生的电流称为光电流。

光电流受

入射照度的控制。

按功率分：

小功率管、中功率管、大功率管

输入交流信号时，共射交流电流放大系数β

IC

IB

共射直流电流放大系数

共基交流电流放大系数α

ICN

IE

ic

iE

在近似分析中，

共基直

三、晶体管的共射特性曲线

描述各电极之间电压电流关系

共射电路：

输入电压uBE，输入电流iB

输入特性曲线：

管压降uCE一定，基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系.输出电压uCE，输入电流iC

输出特性曲线：

基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降UCE之间的函数关系。

1、输入特性曲线

①uCE=0，发射结与集电结并联输入特性曲线与PN结的伏安特性曲线相似②uCE从零开始增大

集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力增强，不利于空穴的复合。

同样的uBE，电流iB减小；即同样的iB，需加大uBE∴uCE增大时，输入特性曲线右移③uCE增大到一定值

此时集电结电场足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分电子收集到集电区。

若继续增大uCE，

iBf

（uBEu

CE常数

ic也不可能明显增大，即iB基本不变。

∴输入特性曲线不再明显右移而基本重合。

对于小功率管，可用的任何一条UCE>1曲线来近似UCE>1的所有

曲线。

2、输出特性曲线

①UCE增大

集电结电场增强，收集基区非平衡少子的能力增强，电流iC随UCE增大而增大。

②UCE继续增大

此时集电结电场足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分电子收集到集电区。

若继续增大uCE，ic也不可能明显增大，即ic几乎仅仅决定于IB。

输出特性曲线可以分为三个区域:

截止区：

要求：

发射结电压小于开启电压且集电结反偏

饱和区：

c不仅决定于IiCIBIB，明显随UCE增大而增大

要求：

发射结正偏且集电结正偏

iCf（uCEiB常数IB0,ICICEO0uBEUon,uCEuBE（ucuB）uBEUon,uCEuBE

处于饱和区，UCE=饱和管压降UCES

I放大区：

IBic几乎仅仅决定于IB，而与UCE无关C

要求：

发射结正偏且集电结反偏

晶体管工作状态的判断

1、放大状态：

发射结正偏，集电结反偏

2、饱和状态：

发射结正偏，集电结正偏

3、截止状态：

发射结反偏，集电结反偏

NPN和PNP管子工作状态相同时，所加外电压正好相反。

四、温度对晶体管特性及参数的影响

1、温度对ICBO的影响uBEUon,uCEuBENPN:

UbUe,UcUbPNP:

UeUb,UbUcNPN:

UbUe,UbUcPNP:

UeUb,UcUb共射接法输入特性曲线NPN:

UbUe,UcUbPNP:

UeUb,UbUc两个PN结同时正偏，饱和

ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，温度升高，少子浓度明显增大，ICBO增大。

由于ICEO=（1+）ICBO，所以温度变化时，ICEO也会产生相应的变化。

2、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，反之将右移。

若UBE不变，温度升高，电流iB增大。

3、温度对输出特性的影响

当温度从20℃升到60℃时，集电结电流的变化量，说明温度升高时β增大。

②电流i增大

温度升高

五、三极管的主要参数

半导体三极管的参数分为三大类:

直流参数交流参数极限参数

（1）直流参数

1、共射直流电流放大系数

2、共基直流电流放大系数

①ICBO、ICEO增大集电极电流ic增大③β增大ICIBICIE

3极间反向电流（ICBO、ICEO）选用管子时，ICBO、ICEO应尽量小

（2）交流参数

交流参数是描述晶体管对于动态信号的性能指标。

1、共射交流电流放大系数

=iC/iBUCE=const

选用管子时，应适中，太小放大能力不强，太大性能往往不稳定。

2、共基极交流电流放大系数α

α=IC/IEUCB=const

③β增大

3、特征频率fT晶体管的电流放大系数与工作频率有关

晶体管超过工作频率范围，会将随着频率的升高而下降，放大能力减弱甚至失去放大作用。

下降到1时所对应的频率称为特征频率，用T表示。

1f

（3）极限参数

极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。

1、最大集电极耗散功率PCM

PCM即集电极电流通过集电结时所产生的功耗。

PCM=iCuCE

通常，PCM<1W的为小功率管，1W

2、最大集电极电流ICM

晶体管所允许流过的最大电流，当集电极电流超过ICM，晶体管的β值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。

3、极间反向击穿电压

晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压称为极间反向击穿电压，超过此值时管子会发生击穿现象。

U（BR）CBO：

发射极开路时集电结击穿电压。

下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。

U（BR）EBO：

集电极开路时发射结的击穿电压。

U（BR）CEO：

基极开路时集、射间的击穿电压。

几个击穿电压在大小上有如下关系：

U（BR）CBO＞U（BR）CEO＞U（BR）EBO

2.1放大的概念和电路主要指标

2.1.1放大的概念

放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。

放大电路的应用十分广泛，是电子设备中最普遍的一种基本电路。

1、电子学中放大：

电信号的放大。

（电压或电流）

放大电路基本特征：

功率的放大。

输出电压或电流在幅度上得到了放大，即负载上总能获得比输入信

号大得多的电压或电流（可以实现电压的放大，也可以是电流的放大），有时兼而有之。

2、放大电路的本质：

能量的控制和转换。

在输入信号的作用下，通过放大电路（晶体管或场效应管）将直流电源的能量转换成负载获得的能量，所以说输出信号的能量实际上是由直流电源提供的。

3、放大电路的测试信号：

正弦信号

任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号（谐波）的叠加。

4、放大电路的基本要求

一是能够放大；

二是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。

要保证输入输出之间成比例线性放大，必须保证晶体管和场效应管在信号的整个周期内都工作在放大区或恒流区。

振幅放大，频率不变.

2.1.1放大电路的性能指标

信号源Ri越大，放大电路从信号源吸取的电流小，信

输出信号号源内阻的压降小，信号损失小，放大电路所

三、输出电阻Ro

路来代替，即电压源和输出电阻的串联。

RO的计算：

测量法

在输入端加一固定的正弦交流电压

1.测量开路电压。

2.测量接入负载后的输出电压。

输入信号一般来说，Ri越大，放大电路采集信号的能力越强。

得到的输入电压越接近于信号源电（ui≈us）。

放大电路的输出信号要送给负载，对负载而言，放大电路相当于其信号源。

其作用可用戴维南等效电

带载后，输出会减小，放大能力下降。

Uo'uoAuU

ouoAuuiuoLuoRLRoRL

Ro越小，输出减小的越少，表明放大电路带负载的能力越强，反之则弱。

uoRo

（1）RLuoL

放大电路空载放大倍数一定，输入电阻越大，输出电阻越小，放大能力越强。

四、通频带

衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。

同一放大电路对幅值相同、频率不同的信号的放大能力是不同的，而且在一般情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。

注：

放大电路的放大倍数为中频放大倍数

五、非线性失真系数D

由于晶体管、场效应管等器件具有非线性特性，其线性放大范围有一定的限度。

所以在输入正弦信号的幅度超过一定值时，输出的电压将产生非线性失真。

注：

放大电路的输入信号不能无限制增大，太大会引起失真。

放大电路的输出信号已不是正弦波，它除了基波外，还含有许多谐波分量，即在输出信号中产生了输入信号中没有的新的频率分量。

输出波形中所有谐波总量与基波成分之比称为非线性失真系数D。

通频带：

fbw=fH–fL

六、最大不失真输出电压

当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压称为最大不失真输出电压。

一般，以有效值Uom表示。

注：

放大电路的输出信号受限制。

七、最大输出功率与效率在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率Pom。

输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，所以计算直流电源能量的利用率称为效率η。

2.2基本共射放大电路的工作原理

一、基本放大电路的组成及各元件的作用

作用：

保证发射结正偏，

并提供适当的静态工作

作用：

将变化的电流转化为变化的电压。

集