模电知识整理

模电知识整理第零章导言第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体1.1.1.1半导体物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素。绝缘体一般为高价元素（如惰性气体）。常用半导体材料硅锗均为四价元素。1.1.1.2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，称为晶格。本征半导体中的电子通过共价键互联。1.1.1.3本征半导体中的两种载流子常温下，极少数价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电。自由电子脱离轨道束缚，原处留下空位置，称为空穴，带正电。自由电子与空穴成对出现，数目相等。在本征半导体外加电场，则自由电子将产生定向移动，形成电子电流；空穴将被价电子按一定方向依次填补，即空穴也产生定向移动，形成空穴电流。二者运动方向相反。半导体中电流为自由电子与空穴电流之和。运载电荷的粒子称为载流子。导体的载流子仅有自由电子一种；本征半导体的载流子有自由电子和空穴两种。1.1.1.4本征半导体中载流子的浓度本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。复合：自由电子填补空穴的现象。动态平衡：本征激发产生的自由电子与空穴数目相等。在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，且自由电子与空穴浓度相等。环境温度升高时，载流子浓度升高，导电性增强。3-3221,,()GOEkTiiiinpKTenpcm分别表示自由电子与空穴的浓度本征半导体的导电性能很差，且与环境温度密切相关。可用于制作热敏、光敏器件，但也会造成半导体器件温度稳定性差。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得到的半导体。1.1.2.1N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素。杂质原子外层有五个价电子，因此除了参与构成共价键的价电子，还多出一个电子，这个电子只需要很少的能量就可以挣脱束缚，成为自由电子。杂质原子因为在晶格上，且缺少电子，因此变为不能移动的正离子。在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴浓度。称自由电子为多数载流子，简称多子；称空穴为少数载流子，简称少子。N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强。杂质原子可以提供电子，称杂质原子为施主原子。1.1.2.2P型半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素。杂质原子外层有三个价电子，因此在与周围的硅原子形成共价键时，产生了一个空位，当硅原子的外层电子填补此空位时，其共价键中就产生了一个空穴。杂质原子因为在晶格上，且多出电子，因此变为不可移动的负离子。在P型半导体中，空穴浓度大于自由电子浓度。称空穴为多子，自由电子为少子。P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂志越多，空穴浓度越高，导电性越强。杂质原子可以吸引电子，称杂质原子为受主原子。1.1.3PN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，在其交界面形成PN结。PN结具有单向导电性。1.1.3.1PN结的形成1.1.3.1.1扩散运动：物质从浓度高的地方想浓度低的地方运动。P\N型半导体制作在一起时，在交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，N区的自由电子也必然向P区扩散。扩散到P\N区的载流子相互复合，因此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，该区域称为空间电荷区，形成内电场。随着扩散运动的惊醒，空间电荷区价款，内电场增强，方向由N指向P，阻止扩散运动的进行——符合勒沙特列原理。1.1.3.1.2漂移运动：载流子在电场力作用下的运动。空间电荷区内，正负电荷电量相等；当P\N区内杂质浓度相等时，正负离子区宽度相等，称为对称结，否则成为不对称结。两种结的外部特性相同。由于在空间电荷区内载流子非常少，因此分析时常常忽略载流子的作用，只考虑离子区的电荷，这种方法称为“耗尽层近似”，因此空间电荷区也称为耗尽层。1.1.3.2PN结的单向导电性如果在PN结的两端外加电压则会破坏其原来的平衡状态，此时扩散电流不再等于飘逸电流，因此PN结中将有电流通过。1.1.3.2.1PN结外加正向电压时处于导通状态电源正极接到PN结P端（PositiveEnd），且电源负极接到PN结N端（NegativeEnd），称PN结外加正向电压，也称正向接法或正向偏置。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱内电场，使扩散运动家具，漂移运动减弱。由于电源作用，扩散运动将持续进行形成正向电流，PN结导通。在PN结导通的电路中，应在回路中串联限流电阻。1.1.3.2.2PN结外加反向电压时处于截止状态电源正极接到PN结N端，电源负极接到PN结P端，称PN结外加反向电压，也称反向接法或反向偏置。此时外电场使空间电荷区变宽，加强内电场，阻止扩散运动，加剧漂移运动，反向电流非常小，因此在近似分析中常忽略不计，认为PN结在外加反向电压时处于截止状态。1.1.3.3PN结的电流方程(1),/(1),30026TqukTSSTuUSTiIeIqkTkTqUiIeTKUmV式中为反向饱和电流，为电子电量，为波尔兹曼常数，为热力学温度。将式中的用取代，则有常温时，。1.1.3.4PN结的伏安特性当PN结外加正向电压，且TuU时，TuUSiIe；当PN结外加反向电压，且TuU时，SiI。1.1.3.5PN结的电容效应在一定条件下，PN结具有电容效应，根据产生原因不同分为势垒电容和扩散电容。1.1.3.5.1势垒电容当PN结外加电压变化时，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的增大而减小，这种现象与电容器的充放电过程相同。好景曾宽窄变化等效的电容成为势垒电容Cb。1.1.3.5.2扩散电容PN处于平衡状态时的少子常称为平衡少子。PN结处于正向偏置时，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。外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子浓度高，远离交界面的地方浓度低，且浓度自高到低逐渐衰减直至0。形成一定的浓度梯度，从而形成扩散电流。当外加正向电压加大时，非平衡少子的浓度增大且浓度梯度增大，从外部看正向电流增大。当外家政系那个电压减小时则相反。外加电压变化等效的电容成为扩散电容Cd。Cj=Cb+Cd，其中Cj为PN结的结电容。1.2半导体二极管1.2.1常见结构1.2.2二极管伏安特性1.2.2.1二极管和PN结伏安特性的区别二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以，当外加正向电压，电流相同的情况下，二极管的管压降比PN结的结压降更大。1.2.2.2温度对二极管伏安特性的影响环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。在室温附近，温度每升高一摄氏度，正向压降减小2~2.5mV。温度每升高十摄氏度，反向电流越增大一倍。1.2.3二极管的主要参数1.2.3.1最大整流电流VI二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，与PN结面积以及外部散热条件等有关。1.2.3.2最高反向工作电压RU二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过此值时，二极管可能因反向击穿而损坏。通常RU为击穿电压()BRU的一半。1.2.3.3反向电流RI二极管为击穿时的反向电流。RI越小，单向导电性越好。RI对温度非常敏感。1.2.3.4最高工作频率Mf二极管工作的上限截止频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。1.2.4二极管的等效电路1.2.5稳压二极管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。1.2.5.1稳压管的伏安特性正向特性为指数曲线，反向电压数值达到一定程度时击穿，击穿区的曲线几乎与纵轴平行（即电压为定值）。1.2.5.2稳压管的主要参数1.2.5.2.1稳定电压ZU在规定电流下稳压管的反向击穿电压。1.2.5.2.2稳定电流ZI稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于此值时文雅效果变差。ZI常写作minZI。1.2.5.2.3额定功耗ZMPZMP等于稳压管稳定电压与最大稳定电流的乘积。功耗超过此值时，会因结温升过高而损坏。可通过ZMP求出ZMI。1.2.5.2.4动态电阻Zr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。Zr越小，电流变化时ZU的变化越小，稳压特性越好。1.2.5.2.5温度系数温度没变化一摄氏度稳压值的变化量，即ZUT。稳定电压小于4V的管子具有负温度系数（齐纳击穿），即温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数（雪崩击穿），即温度升高时稳定电压值上升；稳定电压介于4~7V之间的管子温度系数非常小，近似为0（齐纳击穿和雪崩击穿共存）。1.2.6其它类型二极管1.2.6.1发光二级管包括可见光、不可见光、激光等。发光二级管也具有单向导电性，只有外加的正向电压使得正想电流足够大时才发光，开启电压比普通二极管打，红色在1.6~1.8V之间，绿色约为2V。正向电流越大，发光越强。发光二级管驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高。广泛用于显示电路。1.2.6.2光电二极管光电二极管是远红外线接收管，是一种光能与电能转换器件。PN结型光电管充分利用PN结光敏特性，将接收到的广大变化转换成电流变化。外加正向电压时，单溜与端电压呈指数关系；外加反向电压时，反向电流称为暗电流，通常小于0.2μA。有光照时，特性曲线下移动。1.3晶体三极管晶体三极管中有两种不同机型电荷的载流子参与导电，称为双极型晶体管（BJT），又称半导体三极管，简称晶体管。1.3.1晶体管的结构及类型发射极e：发射电子基极b：控制电流集电极c：收集电子电流从集电极出发，回归发射极。发射区的电子掺杂浓度很高。NPN型与PNP型NPN：+5磷+3硼+5磷1.3.2晶体管的电流放大作用放大是对模拟信号最基本的处理。静态工作点要满足偏置条件，即：发射结正偏，集电结反偏。1.3.2.1晶体管内部的载流子运动1.3.2.1.1发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流EI1.3.2.1.2扩散到基区的自由电子与空穴的符合运动形成积极电流BI1.3.2.1.3集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流CI1.3.2.2晶体管的电流分配关系EBCIII1.3.2.3晶体管的共射电流放大系数共基交流电流放大系数a，共射交流电流放大系数11.3.3晶体管的共射特性曲线1.3.3.1输入特性曲线描述管压降CEU一定的情况下，基极电流Bi与发射结压降CEu之间的函数关系，即|CEBBEUconstifu当0CEU时，相当于集电极与发射极短路，也即集电结与发射结并联。当CEU增大时，曲线右移。当CEU增大到某一值以后，近似不再右移。对于小功率管，CEU大于1V的任何一条曲线来近似CEU大于1V的所有曲线。1.3.3.2输出特性曲线描述基极电流BI为一常量时，集电极电流Ci与管压降CEU之间的函数关系，即|BCBEIconstifU1.3.3.2.1截止区特征：发射结电压小于开启电压，集电结反偏对于共射电路，,BEonCEBEUuuu。此时0,BCCEOIiI。小功率管的穿透电流很小，近似认为晶体管截止时0Ci。1.3.3.2.2放大区特征：发射结正偏，集电结反偏对于共射电路，,BEonCEBEUuuu。此时，Ci几乎只受Bi影响，与CEu无关。表现出Bi对Ci的控制作用。在理想情况下，当BI按等差变化时，输出为一族横轴的等距离平行线。1.3.3.2.3饱和区特征：发射结与集电结均正偏，对于共射电路，BEonuU且CEBEuu，此时Ci不仅与Bi有关，且明显随CEu的增大而增大。CBii。1.3.4晶体管的主要参数1.3.4.1直流参数1.3.4.1.1共射直流电流放大系数CBII1.3.4.1.2共基直流电流放大系数CEII1.3.4.1.3极间反向电流CBOI、CEOICBOI是发射极开路时集电结的反向饱和电流；CEOI是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流(1)CEOCBOII1.3.4.2交流参数1.3.4.