模拟电子技术简明教程__第三版

第一章半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管1.1半导体的特性半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。图1.1.1硅原子结构(a)硅的原子结构图价电子+4(b)简化模型1.1.1本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.2单晶体中的共价键结构当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.1.2杂质半导体N型半导体P型半导体一、N型半导体掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等电子浓度多于空穴浓度，即np。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、P型半导体掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等+3空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。受主原子空穴图1.1.5P型半导体的晶体结构1.2半导体二极管1.2.1PN结及其单向导电性在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图1.2.1PN结的形成一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。图1.2.1PN3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD——电位壁垒；——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层图1.2.1(b)5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.2.2PN2.PN结外加反向电压(反偏)不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生非常小的反向电流IS；空间电荷区反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。1.2.2二极管的伏安特性将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。二极管的结构：(a)外形图半导体二极管又称晶体二极管。(b)符号图1.2.4二极管的外形和符号半导体二极管的类型：按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。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：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图1.2.5二极管的伏安特性1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；二极管加反向电压，反向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。击穿电压U(BR)结论：二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压UBR的一半定义为UR。3.反向电流IR通常希望IR值愈小愈好。4.最高工作频率fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。1.2.4稳压管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管用于稳压时工作于反向击穿区。I/mAU/VO+正向+反向U(b)稳压管符号(a)稳压管伏安特性I图1.2.6稳压管的伏安特性和符号稳压管的参数主要有以下几项：1.稳定电压UZ3.动态内阻rZ2.稳定电流IZZZZIUr稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正常工作的参考电流。IIZ时，管子的稳压性能差；IIZ，只要不超过额定功耗即可。rZ愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，rZ值愈小。IZ=5mArZ16IZ=20mArZ3IZ/mA4.电压温度系数U稳压管电流不变时，环境温度每变化1℃引起稳定电压变化的百分比。5.额定功耗PZ额定功率决定于稳压管允许的温升。PZ=UZIZPZ会转化为热能，使稳压管发热。电工手册中给出IZM，IZM=PZ/UZ+-DZ限流电阻稳压管电路稳压管可串联使用（较常见），几个稳压管串联后，可获得多个不同的稳压值，一般不并联使用。几个稳压管并联后，稳压值将由最低(包括正向导通后的电压值)的一个来决定。讨论课题（一）如图所示硅稳压管稳压电路，要求输出直流电压6V。1）试找出电路存在的直观错误。2）在电路修改正确后，若已知稳压管的IZmax=40mA,限流电阻选的是否合适？＋－UI＋－UORRLVDzUz=5V600Ω12~15V100Ω1.3双极结型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。图1.3.1三极管的外形1.3.1三极管的结构常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图1.3.2三极管的结构(a)平面型(NPN)NecNPb二氧化硅e发射极，b基极，c集电极。图1.3.3三极管结构示意图和符号(a)NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极bcbe符号NNPPN图1.3.3三极管结构示意图和符号(b)PNP型半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料和工艺类型用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B1.3.2三极管载流子的运动和电流分配关系以NPN型三极管为例讨论cNNPebbec表面看三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。不具备放大作用三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。三极管中载流子运动过程⑴发射区向基区注入电子，形成电子电流IEn，同时基区向发射区注入空穴，形成空穴电流IEp，因为IEnIEp，所以发射极电流IE≈IEn。⑵注入电子在基区边扩散边复合，形成复合电流IBn。⑶集电区收集扩散来的电子，形成集电极电流IC。⑷集电结两边少子的漂移，形成集电结漂移电流，通常称为反向饱和电流ICBO。电子注入复合少子漂移beceRcRb三极管的电流分配关系IEpICBOICIBIEnIBnICnIC=ICn+ICBOIE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp一般要求ICn在IE中占的比例尽量大。而二者之比称共基直流电流放大系数，即ECnII一般可达0.95~0.99IB+ICBO=IBn+IEpIE=IC+IB三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE=IC+IBCBOBCIII)1(ECCCBOCBOECBOCnCIIIIIIIII可将其忽略，则时，当)(1代入(1)式，得其中：共射直流电流放大系数。1上式后一项常用穿透电流ICEO表示。CEOBCCBOCEO)1(IIIII则当ICEOIC时，忽略ICEO，则由上式可得BCII三极管的电流分配关系BCEIIIBCIIBE)1(II交流放大倍数和的定义，根据三极管中三个电流的关系，可得故与两个参数之间满足以下关系：1ΔΔΔΔ/ΔΔΔΔΔΔBCBBCCBCECIIIIIIIIII11或1.3.3三极管的特性曲线1输入特性CE)(BEBuufi2输出特性B)(CECiufiVCE1UV/BEUO0CEUIB/AiC/mAuCE/V100µA80µA60µA40µA20µAiB=0024684321饱和区放大区截止区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321饱和管压降UCES0.4V(硅管)，UCES0.2V(锗管)，通常分别取0.3V和0.1V饱和区放大区截止区发射结正偏放大iC=iB集电结反偏饱和iC＜iB两个结正偏ICS=IBS临界截止iB≈0,iC≈0电流关系状态条件两个结反偏Je正偏Jc零偏或Je正向电压0.5V判断BJT工作状态——电压比较法(NPN)Je正偏电压小于死区电压，Jc反偏BJT截止Je正偏放大还是饱和？）（锗管约硅管VU3.0V7.0BE先求IB假设放大，再求IC求UCE后与UBE比较UCEUBEBJT放大UCEUBEBJT饱和IC=IBUCE=UBEBJT临界饱和若饱和,则需利用UCES重新计算ICVCCVBBRbRc10V2V2KΩ20KΩ+UB