模拟电子线路

模拟电子线路石松主讲第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体一、半导体材料的一些物理特性1.对温度的反应半导体的电阻率随温度的上升迅速下降。金属导体的电阻率随温度的上升略有增加。2.杂质的影响半导体在常温下的电阻率较高，若掺上极微量的杂质，电阻率则显著下降。3.光的影响在光的照射下，半导体的电阻率会显著下降。二、本征半导体纯净的、没有结构缺陷的半导体晶体叫本征半导体。特点：1.原子间通过共价键构成晶格，电子束缚在晶格中2.导电能力很差＊硅和锗都是4价元素。图1.1.1本征半导体结构示意图三、本征半导体中的两种载流子1.本征激发本征半导体的价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚，而成为自由电子的现象叫本征激发。2.自由电子不受晶格的束缚，可以在晶格间自由移动的电子。图1.1.2本征半导体中的自3.空穴由电子和空穴价电子离开共价键后留下的空位叫做空穴。空穴带正电荷，在电场作用下，它可以在晶格间定向移动，方向正好与自由电子的移动方向相反。＊空穴的移动实际上是能量较低的自由电子移动的结果。＊只有能自由移动的带电粒子才能导电。四、本征半导体中载流子的浓度本征激发产生的自由电子和空穴是成双成对的，因此在本征半导体中，自由电子和空穴的浓度相等。相同温度下，本征锗中的载流子浓度远大于本征硅中的载流子浓度。＊自由电子浓度记作in，空穴浓度记作ip，在本征半导体中，有iinp。1.1.2杂质半导体一、N型半导体在纯净半导体中掺入极微量的五价元素（如磷）后，半导体中的自由电子浓度远大于空穴浓度。施主杂质：除形成共价键所需的电子外，还能额外提供游离电子的杂质。施主正离子：施主杂质失去游离电子成为施主正离子。图1.1.3N型半导体多数载流子（多子）：掺杂半导体中高浓度的导电载流子。少数载流子（少子）：掺杂半导体中低浓度的导电载流子。＊在相同温度下，掺杂后的两种载流子浓度的乘积等于本征半导体中载流子浓度的乘积。即22iiiinpnpnp。二、P型半导体在纯净半导体中掺入极微量的三价元素（如硼）后，半导体中的空穴浓度远大于自由电子浓度。受主杂质：极易获得电子形成共价键的杂质。受主负离子：受主杂质获得电子，因带负电而成为受主负离子。图1.1.4P型半导体1.1.3PN结一、半导体内的导电过程1.漂移电流在电场作用下，自由电子和空穴发生定向漂移运动而形成漂移电流。漂移电流分为自由电子电流和空穴电流两种，其和为总漂移电流。2.扩散电流半导体载流子（自由电子或空穴）的浓度若分布不匀，则产生浓度差，这将导致载流子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散而形成扩散电流。二、PN结的形成将半导体材料的一半制成Ｎ型，一半制成Ｐ型，则Ｎ型半导体和Ｐ型半导体的交界处就会形成PN结。(a)P区与N区中载流子的运动(b)平衡状态下的PN结图1.1.5PN结的形成PN结的形成过程：1.将Ｎ型半导体与Ｐ型半导体连接在一起时，由于交界处两侧的载流子浓度相差悬殊，于是Ｎ区中的多子自由电子向Ｐ区扩散，Ｐ区中的多子空穴向Ｎ区扩散。载流子的扩散运动形成扩散电流。2.原来Ｐ型和Ｎ型半导体是电中性的，由于扩散作用，使得Ｐ型半导体靠近交界处的地方因失去空穴而带负电，Ｎ型半导体靠近交界处的地方因失去自由电子而带正电，因而交界处形成空间电荷区，产生内建电场。3.在内建电场的作用下，Ｐ区中的少子自由电子向Ｎ区漂移，Ｎ区中的少子空穴向Ｐ区漂移，形成与扩散电流方向相反的漂移电流。4.随着内建电场的增强，扩散电流进一步减小，漂移电流进一步增大，最后，当扩散电流等于漂移电流时，ＰＮ结处的电流达到动态平衡，ＰＮ结处的总电流为０。＊ＰＮ结由带电的不能自由移动的离子构成，由于这个地方没有载流子，或者说载流子已经耗尽，所以ＰＮ结区又称为耗尽区（耗尽层）。＊由于ＰＮ结区的内建电场对载流子的扩散具有阻碍作用，所以ＰＮ结区又叫势垒区或阻挡层。＊耗尽层的电阻较大，外加电压主要落在这个区。三、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压（正向偏置）外加电压降低了ＰＮ结势垒高度，使得扩散作用增强，漂移作用减弱，从而造成正向扩散电流大于反向漂移电流，ＰＮ结正向导通。由于扩散作用的载流子是多子，因而扩散电流可以很大。图1.1.6PN结加正向电压时导通2.PN结外加反向电压（反向偏置）增加ＰＮ结势垒高度，扩散作用被抑制，漂移作用占主导地位。由于漂移电流的载流子是少子，所以反向电流极小，ＰＮ结可视作截止。图1.1.7PN结加反向电压时截止四、PN结的电流方程（二极管方程）1qukTSiIeSI反向饱和电流q电子的电荷量k玻尔兹曼常数T绝对温度令TkTUq，则有1TuUSiIe常温300K（27C）下，26TUmV五、PN结的反向击穿1.齐纳击穿ＰＮ结在强电场的作用下，晶格共价键中的电子被拉出而参与导电，致使参与导电的载流子数量迅速增加，反向电流急剧增大。＊击穿电压随温度上升而下降。2.雪崩击穿游离的电子在电场作用下获得较大动能，在漂移的途中将遇到的束缚在共价键中的电子撞出来，产生新的电子空穴对，这碰撞产生的电子又在电场的加速作用下碰撞出新的电子空穴对，致使参与导电的载流子数量急剧上升，反向电流骤增。＊击穿电压随温度上升而增大。六、PN结的伏安特性图1.1.8PN结的伏安特性七、PN结的电容效应1.势垒电容bC(a)耗尽层的电荷随外加电压变化(b)势垒电容与外加电压的关系图1.1.9PN结的势垒电容随着外加电压的变化，ＰＮ结势垒区的宽度跟着变化，这导致ＰＮ结内不同极性的电荷量也发生变化，于是ＰＮ结起到贮存、释放电荷的作用。这种由于ＰＮ结势垒区宽度的变化而形成的电容叫势垒电容。势垒电容相当于由两块平行极板相隔势垒区而形成的电容，势垒区越窄，势垒电容越大；势垒区越宽，势垒电容越小。＊ＰＮ结正向偏置时，势垒电容较大，反向偏置时，势垒电容较小。2.扩散电容dC图1.1.10P区少子浓度分布曲线对ＰＮ结施加正向偏压时，从Ｐ区扩散到Ｎ区的空穴（在Ｎ区中空穴是少子）在Ｎ区中靠近ＰＮ结的地方浓度很高，形成电荷堆积；同样，从Ｎ区扩散到Ｐ区的电子在Ｐ区中靠近ＰＮ结的地方也形成电荷堆积。堆积在结区附近的电子、空穴的浓度随着加在ＰＮ结上的外加电压的变化而变化，于是形成扩散电容。＊ＰＮ结正向偏置时，ＰＮ结附近的少子浓度较高，随电压的变化改变明显，因而此时扩散电容较大。＊ＰＮ结反向偏置时，ＰＮ结附近的少子浓度几乎为０，因而此时扩散电容较小，通常可以忽略。＊结电容jbdCCC1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的几种常见结构图1.2.1二极管的几种外形图1.2.2二极管的几种常见结构1、点接触型2、面接触型3、平面型1.2.2二极管的伏安特性图1.2.3二极管的伏安特性一、实际二极管与PN结伏安特性的区别1.相同导通电流的情况下，正向导通时的导通电压大于PN结的导通电压。2.相同正偏电压的情况下，正向电流小于PN结的正向电流。3.反向饱和电流大于PN结的反向饱和电流。二、温度对二极管伏安特性的影响1.温度上升，少子浓度增加，引起二极管反向电流变大。2.PN结电流保持不变时，PN结的正向压降随着温度的上升而减小（因为温度上升，扩散作用增强）。3.增大反向电压，PN结上的热损耗（SPUI损反）加大，结温升高，这将引起反向电流增大；在反向电压不变的情况下，PN结上的热损耗也进一步加大。不良的散热条件可能会因这种恶性循环而造成PN结的热击穿。热损耗加大结温升高反向电流加大1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流FI2.最高反向工作电压RU3.反向电流RI4.最高工作频率Mf1.2.4二极管的等效电路一、理想二极管及二极管特性的折线近似(a)理想二极管(b)正向导通时端电压为常量(c)正向导通时端电压与电流成线性关系图1.2.4由伏安特性折线化得到的等效电路图1.2.5二极管加正向电压的情况例1.2.1图1.2.6例1.2.1电路图二、二极管的微变等效电路1.二极管的体电阻VR2.二极管的交流动态电阻dr(a)Q点及二极管动态电阻的物理意义(b)二极管的动态电阻图1.2.7二极管的微变等效电路图/1111DTTTduUDdDSDQSDDUUrdidgiIIIedudu其中DQI为二极管静态工作点Q点的静态电流3.二极管的微变等效电路简化的二极管微变等效电路：图1.2.8直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路drVRjCSCdr图1.2.9图1.2.8所示电路的波形分析1.2.5稳压二极管一、稳压管的伏安特性(a)伏安特性(b)符号和等效电路图1.2.10稳压管的伏安特性和等效电路二、稳压管的主要参数1.稳定电压ZU2.稳定电流ZI要稳定工作在ZU上，击穿电流应设置在minZI和maxZI之间。3.额定功耗ZMPmaxZMZZPUI4.动态电阻ZrZZZUrI5.温度系数温度每变化1C时稳压值的变化量。稳定电压小于4V为齐纳击穿；大于7V为雪崩击穿；介于47V之间，两种击穿都有。稳定电压为5.5V左右的管子温度系数基本为0。例1.2.2图1.2.11稳压管稳压电路1.2.6其它类型二极管一、发光二极管(a)外形(b)符号图1.2.12发光二极管＊工作于正向偏置状态二、光电二极管（光敏二极管）(a)外形(b)符号图1.2.13光电二极管的外形和符号(a)伏安特性(b)工作在第一象限时的原理电路(c)工作在第三象限时的原理电路(d)工作在第四象限时的原理电路图1.2.14光电二极管的伏安特性＊工作在反向偏置状态例1.2.3图1.2.15例1.2.3电路图三、变容二极管＊工作在反向偏置状态1.3晶体三极管1.3.1晶体管的结构及类型(a)小功率管(b)小功率管(c)中功率管(d)大功率管图1.3.1晶体管的几种常见外形(a)NPN型硅管的结构(b)NPN型管的结构示意图(c)晶体管的符号图1.3.2晶体管的结构和符号晶体三极管的制作特点：1.发射区采用重掺杂，多子浓度很高；2.基区做得很薄；3.集电区的掺杂适中。1.3.2晶体管的电流放大作用图1.3.3基本共射放大电路一、晶体管内部载流子的运动＊以NPN型管为例。图1.3.4晶体管内部载流子运动与外部电流1.发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压；2.由于发射结所加的正向偏置电压产生的电场削弱了发射结的内建电场，从而导致发射区的大量多子（电子）扩散进入基区，形成发射极电流ENI；3.扩散进入基区的电子（非平衡少子）继续向集电结方向扩散，除少量电子与基区的多子空穴复合外，大多数从发射区扩散进入基区的电子都能逃过被复合的厄运而到达集电结边缘。在基区被复合掉的扩散电子可看成是从基极流出了，它们形成基极电流BNI；4.很不幸，扩散到达集电结边缘的电子（非平衡少子）在集电结强大的电场作用下被拉入集电区形成集电结电流CNI；很明显，有等式：ENBNCNIII由于基区很薄，所以扩散进入基区的电子中被复合掉的部分不多，因此有：BNCNII二、晶体管的电流分配关系发射极：EENEPCNBNEPIIIIII基极：BBNEPCBOIIII集电极：CCNCBOIIICBOI：集电区和基区中的平衡少子在集电结强大的电场作用下发生漂移，形成集电结反向饱和电流（发射结开路时的集电结反向饱和电流）。EPI：由基区扩散到发射区的空穴形成的空穴电流。综上分析，易知：EBCIII三、晶体管的共射电流放大系数1.共射直流电流放大系数CNCCBOBNEPBCBOIIIIIII整理，得1CBCBOBCEOIIIII其中1CEOCBOII称为穿透电流（基极开路时）。通常CEOI很小，有CBII＊希望穿透电流CEOI越小越好。2.共射交流电流放大系数CBii3.共基直流电流放大系数CNEII容易推出：1＊发射极电流分两部分：(1)ECNII，从集电极流入或流出的部分；(2)1EBNEPIII，从基极流入或流出的部分。＊事实上，定义为11E