模拟电路第一章-常用半导体器件

0模拟电子线路教、学指导与习题详解杨凌1第1章常用半导体器件1.1教学要求1.1.1半导体物理基础知识1、熟悉本征半导体、杂质半导体、施主杂质、受主杂质、多子、少子、漂移、扩散的概念；2、熟悉PN结的形成机理和基本特性——单向导电性、击穿特性、电容效应。1.1.2晶体二极管1、了解二极管的结构、分类、符号、主要参数；2、熟悉二极管的几种模型表示——数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合；3、熟悉二极管电路的三种分析方法——图解法、简化分析法、小信号分析法。能熟练运用简化分析法分析各种功能电路；4、了解几种特殊二极管的性能。1.1.3晶体三极管1、了解三极管的结构、分类、符号、熟悉其主要参数及温度对参数的影响；2、掌握三极管在放大状态下的电流分配关系；3、熟悉三极管处在放大、饱和、截止三种工作状态下的条件及特点；4、熟悉三极管的几种模型表示——数学模型、共射曲线模型、直流简化电路模型、小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合；5、熟悉三极管放大电路的三种分析方法——图解法、估算法、小信号等效电路分析法。能熟练运用估算法判断三极管的工作状态。1.1.4场效应管1、了解场效应管的工作原理，理解场效应管中预夹断的概念；2、熟悉场效应管的几种模型表示——数学模型、曲线模型、直流简化电路模型、小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合；3、熟悉放大状态下几种场效应管的外部工作条件；4、熟悉场效应管与三极管之间的异同点；1.2基本概念和内容要点1.1.1半导体物理基础知识半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照或所掺杂质的不同而显著变化，特别是掺杂可以改变半导体的导电能力和导电类型，因而半导体广泛应用于各种器件及集成电路的制造。1、本征半导体2（1）高度提纯、几乎不含任何杂质的半导体称为本征半导体。硅（Si）和锗（Ge）是常用的半导体材料，均属四价元素，原子序号分别为14和32，它们的原子最外层均有四个价电子，与相邻四个原子的价电子组成共价键。制造半导体器件的硅和锗材料被加工成单晶结构。图1.1（a）、（b）分别是硅、锗原子的简化模型和它们的晶体结构平面示意图。图1.1（2）本征激发共价键中的价电子受激发获得能量并摆脱共价键的束缚而成为“自由电子”（简称电子），并在原共价键的位置上留下一个“空位”（称空穴），这一过程称为本征激发。热、光、电磁辐射等均可导致本征激发，但热激发是半导体材料中产生本征激发的主要因素。本征激发产生成对的电子和空穴。（3）复合电子被共价键俘获，造成电子—空穴对消失，这一现象称为复合。（4）载流子电子和空穴均是能够自由移动的带电粒子，称为载流子。可见，半导体中存在两种类型的载流子。（5）热平衡载流子浓度当温度一定时，半导体中本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。该浓度值为：式中：k（玻尔兹曼常数）=8.63×10－5eV/Kni、pi与T成指数关系，随温度升高而迅速增大。室温下（T=300K即27oC），ni=pi=AT3/2e－Eg0/2kT（1—1）3.88×1016cm－3K－3/2（Si）1.76×1016cm－3K－3/2（Ge）A=1.21eV（Si）0.785eV（Ge）Eg0(T=0K时的禁带宽度)=+4+4+4+4+4+4+4+4+4（a）（b）3ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度（硅的原子密度为4.96×1022cm－3）很小的百分数，故本征半导体的导电能力很弱（本征硅的电阻率约为2.2×105Ω·cm）。2、杂质半导体在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。（1）N型半导体（电子型半导体）在本征半导体（硅或锗）中掺入五价施主杂质（如磷、砷）而成。其中多子是电子，少子是空穴，还有不能自由移动（不参与导电）的正离子。（2）P型半导体（空穴型半导体）在本征半导体（硅或锗）中掺入三价受主杂质（如硼、铟）而成。其中多子是空穴，少子是电子，还有不能自由移动（不参与导电）的负离子。（3）杂质半导体中，多子的浓度取决于掺杂的多少，其值几乎与温度无关；且少量的掺杂便可导致载流子几个数量级的增加，故杂质半导体的导电能力显著增大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，少子浓度具有温度敏感性。（4）转型在N型半导体中掺入比原有的五价杂质元素更多的三价杂质元素，可转型为P型；在P型半导体中掺入足够的五价杂质元素，可转型为N型。（5）半导体的两种导电机理——漂移和扩散载流子在外电场作用下的定向运动称为漂移运动，所形成的电流称为漂移电流。漂移电流的密度为：Jt=Jpt+Jnt=q(pμp+nμn)E∝E式中，p、n分别为空穴和电子的浓度；q是电子电荷量；μp、μn分别为空穴和电子的迁移率（迁移率影响半导体器件的工作频率）；E为外加电场强度。因浓度差而引起的载流子的定向运动称为扩散运动，所形成的电流称为扩散电流。电子和空穴的扩散电流密度分别为：式中，Dn、Dp分别为电子和空穴的扩散系数；dn(x)/dx、dp(x)/dx分别为电子和空穴的浓度梯度。3、PN结（1）PN结的形成将一种杂质半导体（N型或P型）通过局部转型，使之分成N型和P型两个部分，在交界面处出现了载流子的浓度差，导致多子互相扩散，从而形成了PN结，其过程如下：ni≈1.5×1010cm－3（Si）2.4×1013cm－3（Ge）dn(x)dp(x)Jnd=qDn（负值）Jpd=－qDp（正值）dxdx4阻碍多子扩散利于少子漂移如图1.2所示。（2）PN结的单向导电性正偏时，外电场削弱内电场，PN结变薄，势垒降低，利于多子扩散，不利于少子漂移，由多子扩散形成的大的正向电流。PN结呈现低阻，处于正向导通状态。反偏时，外电场增强内电场，PN结变厚，势垒提高，不利于多子扩散，但利于少子漂移，由少子漂移形成很小的反向电流。PN结呈现高阻，处于反向截止状态。（3）PN结的击穿特性当加在PN结上的反偏压超过一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为击穿。按击穿机理的不同，击穿可分为齐纳击穿和雪崩击穿两种。齐纳击穿发生于重掺杂的PN结中，击穿电压较低（＜4V）且具有负的温度系数；雪崩击穿发生于轻掺杂的PN结中，击穿电压较高（4V～6V）且具有正的温度系数。当PN结击穿后，若降低反偏压，PN结仍可恢复，这种击穿称为电击穿。电击穿是可以利用的，稳压二极管便是根据这一原理制成的。当PN结击穿后，若继续增大反偏压，会使PN结因过热而损坏，这种击穿称为热击穿。热击穿是要力求避免的。（4）PN结的伏安特性如图1.3所示。式中：IS─PN结的反向饱和电流；VT─温度的电压当量(热电压)。室温下,VT≈26mVI=IS(eV/VT－1)（1—2）图1.3PN结的伏安特性当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时→形成一定厚度的PN结。内建电场E图1.2PN结的形成P区N区空间电荷区载流子浓度差→多子扩散→电中性被破坏→空间电荷区（内电场）→kTVT=（1—3）qISV/VI/mAVBRVD(on)O5（5）PN结的电容效应PN结电容Cj由势垒电容CT和扩散电容CD组成（Cj=CT+CD）。正偏时扩散电容为主；反偏时势垒电容为主。利用势垒电容效应可制成变容二极管。1.1.2晶体二极管晶体二极管是由一个PN结，再加上电极、引线封装而成，简称二极管。1、二极管的结构、类型、符号表1.1示出了二极管的分类及用途。表1.1分类方法主要类型制作工艺合金型二极管；扩散型二极管；合金扩散型二极管；平面型二极管；外延型二极管结构形态点接触二极管；面接触二极管；台面二极管；肖特基势垒二极管；PIN二极管；体效应二极管；双基极二极管；双向二极管应用范围普通应用检波二极管；整流二极管；稳压二极管；开关二极管；恒流二极管光电应用光电二极管；太阳能电池；发光二极管；激光二极管微波应用变容二极管；阶跃恢复二极管；崩越二极管；隧道二极管；肖特基势垒二极管；体效应二极管敏感应用温敏二极管；磁敏二极管；力敏二极管；气敏二极管；湿敏二极管；光敏二极管其中，点接触型和平面型二极管是常用的两种。前者结面积小，结电容小，适用于高频、小电流的场合，如检波电路；后者的形式较多，有结面积大的，因此结电容也大，适用于低频、大电流的场合，如整流电路。二极管的符号如图1.4所示。2、二极管的伏安特性二极管的伏安特性与PN结的伏安特性基本相同。3、二极管的主要电参数（1）直流参数最大整流电流IF；正向压降VDF；反向电流IR；反向击穿电压VBR；直流电阻RD。（2）交流参数交流电阻rd；结电容Cj；最高工作频率fM。图1.4二极管的符号ER6每一型号的二极管，在技术手册中总是以极值给出上述参数。（3）温度对二极管参数的影响温度每升高10oC，IR增大一倍；温度每升高1oC，VDF减小（2～2.5）mV。4、几种特殊的二极管（1）硅稳压二极管①符号、伏安特性如图1.5所示。②主要参数稳定电压VZ；稳定电流IZ；动态电阻rZ；最大稳定电流IZM；耗散功率PZM及VZ的温度系数αV。（2）变容二极管变容二极管是应用十分广泛的一种半导体器件。例如，谐振回路的电调谐；压控振荡器；频率调制；参量电路等。其符号如图1.6所示。（3）发光二极管（LED）光二极管是将电能转换为光能的一种半导体器件。广泛用来构成七段数字显示器。其符号如图1.7所示。（4）光敏二极管光敏二极管是将光能转换为电能的一种半导体器件。其符号如图1.8所示。（5）光电耦合器光电耦合器是由发光器件和光敏器件组成的一种器件。它是用光传输信号的电隔离器件，应用十分广泛。如图1.9所示。图1.5稳压管的符号及V—I特性图1.6变容二极管的符号图1.8光敏二极管图1.7发光二极管图1.9光电耦合器D1D2输入输出V/VI/mAVZIZminOIZmaxIZ71.1.3晶体三极管（BJT）晶体三极管也称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。1、结构、符号、分类（1）结构、符号三极管有三个区——发射区、基区、集电区；三根电极——发射极E、基极B、集电极C；两个结——发射结Je、集电结Jc。其结构示意图及相应的符号如图1.10所示。（a）NPN型三极管（b）PNP型三极管图1.10三极管的结构及符号结构特点：发射区重掺杂；基区很薄；集电区轻掺杂且集电结面积大。这正是三极管具有放大作用的内部物质基础。（2）分类按结构不同可分为NPN型和PNP型；按材料不同可分为硅管和锗管；按照工作频率分可分为高频管、低频管等；按照功率分，可分为大、中、小功率管等。其封装形式有金属封装、玻璃封装和塑料封装等。2、放大作用和电流分配关系（1）直流偏置条件——Je正偏、Jc反偏。这是三极管实现放大所需要的外部条件。（2）直流电流分配关系IE=IC+IBIC=βIB+ICEO（1—4）ICEO=(1+β)ICBO3、伏安特性曲线（1）共射输入特性曲线iB=f(vBE)vCE一定如图1.11（a）所示。vCE从零增大到约1V，曲线逐渐右移（基区宽度调制效应）；NPNEBCJeJc发射区基区集电区CBEPNPEBCJeJc发射区基区集电区CBE8当vCE＞1V后，曲线几乎不再移动。因此，在工程分析时，近似认为输入特性曲线是一条不随vCE而移动的曲线。图1.11三极管的V—I特性曲线（2）共射输出特性曲线iC=f(vCE)iB一定如图1.11（b）所示。整个曲线族可划分为四个区域。①放大区：Je正偏、Jc反偏。iC主要受iB的控制，由于基区宽度调制效应的影响，当iB一定，而vCE增大时，iC略有增加。曲线上翘的程度与厄尔利电压VA的大小有关。②截止区：Je、Jc均反偏。iB=－ICBO的那条曲线与横轴间的区域。iB≈0，iC≈0。③饱和区：Je、Jc均正偏。对应于不同iB的输出特性曲线几乎重合，iC不受iB控制,只随vCE增大而增大。④击穿区：随着vCE增大，Jc的反偏压增大。当vCE增大到一定值时，Jc反向击穿，造成iC剧增。集电极反向击穿电压VBR(CEO)随iB的增大而减小。4、主要参数（1）直流参数共基极直流电流放大系数α；共射极直流电流放