模拟电子电路基础.1

1、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场效应三极管第一节 半导体的特性本征半导体杂质半导体1. 半导体(semiconductor)共价键covalent bond半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsic semiconductor)价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+42. 本征半导体(intrinsic semiconductors)纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导

2、体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T = 0 K ）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子free electron带正电的空穴hole如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子 空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为 电子 空

3、穴对本征载流子的浓度对温度十分敏感电子 空穴对两种载流子浓度相等1. N型（或电子型）半导体 (N-type semiconductor)二、 杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。 因主要依

4、靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子majority carrier少数载流子minority carrier5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空位2. P型半导体(P-type semiconductor) 当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。空位为电中性。硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子 空穴对的产生和复合。

5、多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。 3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结第二节 半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管-+-PN1. PN结中载流子的运动 -+-空间电荷区内电场UD又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffus

6、ion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.60.8）V锗约为（0.20.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移NP-+-RV正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2. PN结的单向导电性加正向电压+-U耗尽层内电场UD - U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏，forward bias)PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。+-U-+-RV称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下， V 超过某一值后 I 饱和，称为反向饱和电流 IS 。结论：PN结具

7、有单向导电性：正向导通，反向截止。 内电场 外电场UD + U 空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。加反向电压I反向电流IS 对温度十分敏感。动画PN二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1. 二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。 二极管的符号阳极anode阴极cathode302010I/mA

8、UD/V0.5 1.0 1.5 20 1024-I/O正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2. 二极管的伏安特性当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7 V左右锗二极管为0.2 V左右死区电压正向特性0.5 1.0 1.5102030U/VI/mA0 二极管正向特性曲线硅二极管为0.5 V左右锗二极管为0.1 V左右死区电压：导通压降： 正向特性反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压若|U| UT则 I - IS 式

9、中： IS为反向饱和电流 UT 是温度电压当量， 常温下UT近似为26mV。 反向特性-2-4-I/AI/mAU/V-20 -100若U UT 则三、二极管的主要参数 最大整流电流 IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。 最高反向工作电压 UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR 。 反向电流 IR室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。 IR受温度的影响很大。 最高工作频率 fMfM值主要决定于PN结结电容的大

10、小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。 二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。 势垒电容 Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。 扩散电容 Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。例1.2.1已知uI = Umsin t ，画出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmtuoOtuDOuI0 时二极管导通，uO = uI uD = 0uI 0 时二极管截止，uD = uI uO = 0-UmioUmtuIO例1.2.2 二极管可用作开关VVDVSVVDVS正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。四、

11、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：UI+-IUO 稳压管的伏安特性和符号UI值很小有稳压特性阴极阳极稳定电压UZ ：稳压管工作在反向击穿区时的工作电 压。2. 稳定电流IZ ：稳压管正常工作时的参考电流。3. 动态内阻rZ ：稳压管两端电压和电流的变化量之比。 rZ= U / I4. 电压的温度系数U：稳压管电流不变时，环境温度 对稳定电压的影响。5. 额定功耗PZ ：电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须

12、限制流过稳压管的电流IZ 。UORLVDZRUIIRIOIZ+- 稳压管电路例1.2.3 电路如图所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 对应UZ= 0.3V。求rZ ，选择限流电阻ROUORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ解：IZ =IR - IO=UI - UZR-UZRLIZmax UImax - UZR-UZRLmaxIZmin UImin - UZR-UZRLminrZ =IZUZ= 6.715 - 650 +61k=161R R10 - 65 +60.6k=2

13、67IZ = IZmax - IZmin = 45 mAUORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2例1.2.4 有两个稳压管 VD1 和 VD2 ，它们的稳压值为UZ1 = 6 V，UZ2 = 8 V，正向导通压降均为 UD = 0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值?U=UD+UD = 1.2 VU=UZ1+UD = 6.6 VU =UZ1+UZ2 = 14 VU=UD+UZ2 = 8.6 V第三节 双极结型三极管三极管的结构三极管中载流子的运动和电流分配关系三极管的特性曲线三极管的主要参数半导体三极管 晶体管 (tr

14、ansistor) 双极型三极管或简称三极管制作材料：分类 ：它们通常是组成各种电子电路的核心器件。双极结型三极管又称为 ：硅或锗NPN型PNP型一、 三极管的结构三个区发射区：杂质浓度很高基 区：杂质浓度低且很薄集电区：无特别要求发射结集电结集电区基区发射区cbeNPN型三极管的结构和符号两个PN结发射结集电结三个电极发射极 e基极 b集电极 c集电极 ccollector基极 bbase发射极 eemitterNPNRbRcVBBVCCecb发射极电流二、三极管中载流子的运动和电流分配关系发射: 发射区大量电子向基区发射。2. 复合和扩散：电子在基区中复合扩散。3. 收集：将扩散过来的电子

15、收集到集电极。同时形成反向饱和电流ICBO 。IEICIBICNIENIBNICBO集电极电流基极电流RbRcVBBVCCecbIEICIBICNIENIBNICBOIC = ICn + ICBOIE = ICn + IBnIC =IE + ICBO当ICBO IC时，可得ICIEIEn = ICn + IBnIE = IEn IE = IC + IB将 代入IC = ICn + ICBO 得ICn=IE通常将定义为共基直流电流放大系数。ICIBIE = IC + IBIC =IE + ICBO代入 得IC =1 - IB +1 - 1ICBO=1 -令可得IC =IB +（1+ ）ICBO

16、IC =IB + ICEO 当ICEO 1 时的一条输入特性来代表。uBE/ViB/AO 三极管的输入特性uBEiB+-uCE=0VBBRbbec 三极管的输入回路2. 输出特性iC/mAOuCE/ViB=806040200iC=f(uCE)iB=常数饱和区放大区截止区：iB 0的区域，iC 0 ，发射结和集电结都反偏。3. 饱和区：发射结和集电结都正偏，uCE较小，iC 基本不随iB 而变化。当uCE = uBE 时，为临界饱和；当uCE uBE 时过饱和。截止区2. 放大区：发射结正偏，集电结反偏iC = iB 发射结反向偏置,集电结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换 VBB 极性。发射

17、结反向偏置,三极管工作在截止区,可调换 VCC 极性,或将VT更换为PNP型。两PN结均正偏,三极管工作在饱和区。例1.3.1 判断图示各电路中三极管的工作状态。0.7VVT0.3VRbRcVCCVBBVTRbRcVCCVTVBB = iB Rb + uBEiBiCiB = 46.5 A iB = 2.3 mA假设三极管饱和，UCES = 0.3 V则ICS =VCC - UCESRc= 4.85 mA iB ICS 假设成立，三极管工作在饱和区。或者iC = iB = 23 mAuCE = VCC - iC Rc = -36 V发射结正偏集电结正偏，三极管工作在饱和区。RbRcVCCVBBV

18、T2k20k10V10V=50四、 三极管的主要参数2. 反向饱和电流 =iC iBICIB 共基直流电流放大系数 =iCiE 共基电流放大系数=ICIE 共射直流电流放大系数 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO 集电极和发射极之间的穿透电流 ICEOICEO =（1+ ）ICBO 两者满足1. 电流放大系数 共射电流放大系数3. 极限参数a. 集电极最大允许电流 ICMiC/mAOuCE/V三极管的安全工作区过流区集射反向击穿电压U(BR)CEO集基反向击穿电压U(BR)CBOiCuCE=PCM过压区安 全工作区ICM过损耗区U(BR)CEOc. 极间反向击穿电压b. 集电极最大允许耗

19、散功率 PCM五、 PNP型三极管PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同，但外加电源的极性相反。VBBuiRbRcVT+-uOVCCVBBuiRbRcVT+-uOVCC在由PNP型三极管组成的放大电路中，三极管中各极电流和电压的实际方向如图(a)所示，根据习惯三极管中电流和电压的规定正方向如图(b)所示。UCE UBE IE IC IB c b e (-) (+) (+) (-) (a) UCE UBE IE IC IB c b e (-) (+) (+) (-) (b) 定量计算中，将得出PNP型三极管的UBE和UCE为负值。在PNP型三极管的输入和输出特性曲线中，电压坐标轴上将分别标注

20、“ - UBE”和“ - UCE”。电流实际方向与规定方向一致，电压实际方向与规定方向相反。第四节 场效应三极管 结型场效应管绝缘栅场效应管场效应管的主要参数场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道一、结型场效应管1. 结构N型沟道耗尽层gdsP+P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅极漏极源极2. 工作原理uGS = 0uGS UGS(off)uGS UGS(off) 当uDS 0 时， uGS 对耗尽层和 iD 的影响。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds沟道

21、变窄， iD 较小。NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS 0，uGD= UGS(off)，uGS UGS(off) ，uGD UGS(off)，iD 0， 导电沟道夹断。iD更小， 导电沟道预夹断。3. 特性曲线 转移特性iD = f（uGS）|uDS=常数gdsmAVVIDVGGVDD场效应管特性曲线测试电路沟道结型场效应管转移特性IDSSUGS(off)饱和漏极电流栅源间加反向电压 uGS UGS(th)时形成导电沟道VGG导电沟道的形成假设uDS = 0 ，同时uGS 0 靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增大uGS ，则耗尽层变宽。又称之为反型层导电沟道随uGS 增大而增宽。uDS对导电沟道的影响uGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且uDS UGS(th)则有电流iD 产生，iD使导电沟道发生变化。当uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th)即uGD = uGS - uDS = UGS(th) 时，沟道被预夹断， iD 饱和。P型衬底N+N+sgdBVGGN型沟道VDDuDS对导电沟道的影响 特性曲线IDOUGS(th)2UGS(th)预夹断轨迹可变电阻区恒流区iD/mAuDS/VOuGS/ViD/mAO当uGS UGS(th)时截止区转移特性曲线可近似用以下公式表示：2. N沟道耗