常见模拟电路分析

第一专题半导体器件的基础知识第一专题半导体器件的基础知识7.1半导体二极管半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质，例如金属。绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。1.本征半导体GeSi本征半导体的导电机理纯净的半导体。如：硅和锗最外层四个价电子共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4在热或光激发下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。+4+4+4+4空穴束缚电子自由电子在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是带正电的载流子。+4+4+4+4自由电子或空穴的运动形成电流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。本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。归纳2.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质，使杂质半导体某种载流子浓度大大增加。+4+4+5+41）N型半导体多余电子磷原子在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。2）P型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴硼原子归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。◆◆◆◆杂质半导体的导电机理杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N区P区一、PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。7.1.1PN结及其单向导电性浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区形成内电场内电场阻止多子扩散，促使少子漂移多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_I正二、PN结的单向导电性导通PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_I反截止7.1.2半导体二极管的基本结构一、基本结构PN结+管壳和引线PN阳极阴极符号：D分类：点接触型面接触型平面型1.1.1什么是半导体2．载流子：半导体中，携带电荷参与导电的粒子。自由电子：带负电荷空穴：带与自由电子等量的正电荷均可运载电荷——载流子特性：在外电场作用下，载流子都可以做定向移动，形成电流。1．半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,且随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化，人们把这一类物质称为半导体。1.1半导体二极管3．N型半导体：主要靠电子导电的半导体。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。4．P型半导体：主要靠空穴导电的半导体。1.1.2PN结即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。PN结：经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面就会出现一个特殊的接触面，称为PN结。PN结具有单向导电特性。1.1半导体二极管（1）正向导通：电源正极接P型半导体，负极接N型半导体，电流大。（2）反向截止：电源正极接N型半导体，负极接P型半导体，电流小。结论：PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止，这种特性称为PN结的单向导电性。1.1半导体二极管如果反向电流未超过允许值，反向电压撤除后，PN结仍能恢复单向导电性。反向击穿：PN结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为PN结的反向击穿。热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使PN结烧坏，称为热击穿。结电容：PN结存在着电容，该电容为PN结的结电容。1.1半导体二极管1.1.3半导体二极管1．半导体二极管的结构和符号利用PN结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器件——半导体二极管。箭头表示正向导通电流的方向。电路符号如图所示。1.1半导体二极管由于管芯结构不同，二极管又分为点接触型（如图a）、面接触型（如图b）和平面型（如图c）。点接触型：PN结接触面小，适宜在小电流状态下使用。面接触型、平面型：PN结接触面大，截流量大，适合于大电流场合中使用。1.1半导体二极管2．二极管的特性伏安特性：二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定，这两者之间的关系称为二极管的伏安特性。硅二极管的伏安特性曲线如图所示。特性曲线1.1半导体二极管②正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。①死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，如OA段，通常把这个范围称为死区。死区电压：导通电压：=onV0.2V~0.3V（Ge）0.6V~0.7V（Si）结论：正偏时电阻小，具有非线性。（1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）1.1半导体二极管=(Si）V0.2V5.0TV(Ge）②反向击穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。①反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。（2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）普通二极管不允许出现此种状态。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。二极管属于非线性器件1.1半导体二极管3．半导体二极管的主要参数（1）最大整流电流IF：二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值，否则可能损坏二极管。（2）最高反向工作电压VRM使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。1.1半导体二极管1.2.1半导体三极管的基本结构与分类1．结构及符号三极：发射极E、基极B、集电极C。三区：发射区、基区、集电区。1.2半导体三极管PNP型及NPN型三极管的内部结构及符号如图所示。实际上发射极箭头方向就是发射结正向电流方向。两结：发射结、集电结。半导体三极管的结构和类型三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极，如下图所示。三极管有三个区：发射区——发射载流子的区域；基区——载流子传输的区域；集电区——收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（ｅ极）、基极（ｂ极）和集电极（ｃ极）。发射区和基区在交界处形成发射结；基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如下图（a）、（b）所示。NPN集电极cb集电结发射结集电区基区发射区发射极eebc(a)b三极管的组成与符号（a）NPN型;（b）PNP型PNPcbeebc(b)ceb为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。（2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。三极管的工作电压和基本连接方式工作电压三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如下图所示，其中V为三极管，UCC为集电极电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型：UCUBUE；对于PNP型：UEUBUC。UCCUBBRc＋－＋－VbceUCCUBBRc＋－＋－VbceRb(a)(b)Rb（a）NPN型;（b）PNP型基本连接方式三极管有三个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为输入和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方式。（1）共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如下图（a）所示。（2）共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如下图（b）所示。（3）共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如下图（c）所示。图中“⊥”表示公共端，又称接地端。无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。(b)(a)(c)输入输出输入输出输入输出三极管电路的三种组态（a）共发射极接法;（b）共基极接法（c）共集电极接法三极管的主要参数1）电流放大倍数2）极间反向电流3）极限参数（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM。（3）反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO。场效应管场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。结型场效应管结构和符号结型场效应管（JFET）结构示意图如图（a）所示。N沟道G栅极S源极D漏极NPP(a)GDS(b)3DJ7DGS(c)N（a）结构示意图;（b）图形符号;（c）外形图漏极GDSP沟道G栅极S源极DPNN(a)(b)P沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号工作原理(以N沟道结型场效应管为例)场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS≤0，漏源之间加正向电压，即UDS＞0。当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。NDGSPPIDUDS＋＋－UDD＋－UGGUGS－＋－场效应管的工作原理N沟道DGSNDGSUGGPPP(b)DGSUGG耗尽层＋－(a)(c)PP－＋PUGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅源间的输入电阻一般为10+6~10+9Ω。由于PN结反