模拟电子技术1-4章

模拟电子技术第1章半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应三极管 各种电子线路最重要的组成部分是半导体器件。本章讨论半导体的特性和PN结的单向导电性，然后分别介绍半导体二极管、稳压二极管、双极性三极管以及场效应管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数和等效电路。1.1半导体的特性 自然界中的物质，依其导电能力的强弱，通常可分为3大类：导体、绝缘体和半导体。电阻率低于10-4Ω·cm的物质为导体，如铜、铝等。导体原子的最外层电子数目少，很容易摆脱原子核束缚而形成自由电子，在外电场作用下，这些自由电子将逆着电场方向作定向运动形成较大的电流，因此导体的导电能力强。 把在电场作用下，能运载电荷形成电流的带电粒子称为载流子，显然自由电子是一种载流子。电阻率高于109Ω·cm的物质为绝缘体，如云母、橡胶等，最外层电子数大多为8个的稳定结构，其原子核对最外层电子的束缚力很大，常温下能形成自由电子的数目很少，因此导电能力差。半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，如硅、锗等。制造半导体器件的材料都要制成单晶体，如单晶硅或单晶锗，它们是由原子按一定的规则整齐地排列（空间点阵）而成的，由于这种半导体非常纯净，几乎不含杂质，结构又完整，所以称为本征半导体。 半导体的导电性能同样与其原子结构有关。硅和锗的原子结构有一个共同点，即都是四价元素，其原子的最外层电子数都是4个，原子的最外层电子通常称为价电子。价电子受核的束缚力最小，半导体的导电性能与价电子有关，内层电子与原子核构成稳定的惯性核，若用+4代表惯性核所具有的电荷量，则可以用图1.1表示硅或锗的简化原子结构模型。图1.1简化原子结构模型 硅或锗制成单晶体后，由于晶体中原子之间距离很近，价电子不仅受到其所属原子核的作用，还受到相邻原子的原子核的吸引，即一个价电子为相邻的两个原子核所共有。如图1.2所示，这样，相邻原子之间通过共有价电子的形式而紧密结合起来，即形成“共价键”结构。图1.2共价键结构1.1.1本征激发 本征半导体晶体原子间的共价键具有很强的结合力，在绝对零度（-237℃）时，价电子无法挣脱共价键的束缚，不能自由移动，所以共价键内的价电子又叫束缚电子，这样虽然有大量的价电子，但没有自由电子，此时，半导体不导电。当温度度上升升或受受光照照时，，价电电子以以热运运动的的形式式不断断从外外界获获得一一定的的能量量，少少数价价电子子因获获得的的能量量较大大，而而挣脱脱共价价键的的束缚缚，成成为自自由电电子，，同时时在原原来的的共价价键的的相应应位置置上留留下一一个空空位，，叫““空穴穴”，，如图图1.3的A处为空空穴，，B处为自自由电电子，，显然然，自自由电电子和和空穴穴是成成对出出现的的，所所以称称它们们为电电子—空穴对对。把把在光光或热热的作作用下下，本本征半半导体体中产产生电电子—空穴对对的现现象，，叫本本征激激发。。图1.3本征激激发现现象本征激激发产产生的的自由由电子子将在在电场场的作作用下下定向向运动动形成成电流流，因因此它它构成成本征征半导导体中中的一一种载载流子子——电子载载流子子。那么当当共价价键中中由于于失去去一个个价电电子而而出现现一个个空穴穴时，，如图图1.3中A处，与与其相相邻的的价电电子很很容易易离开开它所所在的的共价价键填填补到到这个个空穴穴中来来，使使该价价电子子原来来所处处的共共价键键中出出现一一个空空穴，，如图图1.3中C处，这这样空空穴便便从A处移至至C处。同样，，又可可从C处移至至D处，因因此，，空穴穴似乎乎可以以在半半导体体中自自由移移动，，这实实质上上是价价电子子填补补空穴穴的运运动。。在电电场作作用下下，大大量的的价电电子依依次填填补空空穴的的定向向运动动形成成电流流，为为区别别于自自由电电子的的运动动，把把这种种价电电子填填补空空穴的的运动动叫““空穴穴运动动”。。通常常认为为空穴穴是一一种带带正电电荷的的载流流子，，它所所带电电量与与电子子相等等，符符号相相反。。那么么为什什么不不说是是价电电子的的运动动，而而说是是空穴穴的运运动呢呢？这这是因因为本本征半半导体体的导导电能能力只只取决决于电电子—空穴对对的多多少，，而与与其价价电子子的数数目无无关，，只有有少量量的价价电子子在共共价键键中依依次作作填补补运动动才起起导电电作用用。可见，，在本本征半半导体体中存存在两两种载载流子子：带带负电电的自自由电电子和和带正正电的的空穴穴。而而金属属导体体中只只有一一种载载流子子——自由电电子，，这是是二者者的一一个重重要区区别。。在本本征激激发中中，半半导体体中的的电子子—空穴对对不断断地产产生，，同时时当它它们相相遇时时又重重新被被共价价键束束缚，，电子子—空穴对消失失，这种现现象叫“复复合”。在在一定的温温度下，激激发和复合合虽然不断断地进行，，但最终将将处于动态态平衡状态态，半导体体中的载流流子浓度保保持在某一一定值。由由于本征激激发产生的的电子—空穴对的数数目很少，，因此本征征半导体的的导电能力力很弱。1.1.2掺杂特性在本征半导导体中掺入入少量的特特殊元素，，就构成杂杂质半导体体。杂质半半导体的导导电能力大大大增强，，且掺入的的杂质越多多，其导电电能力越强强，这就是是半导体的的掺杂特性性。当然，，掺入的杂杂质是有严严格控制的的，根据掺掺入杂质化化合价的不不同，杂质质半导体分分为N型半导体和和P型半导体两两大类。1.N型半导体在四价元素素晶体中掺掺入微量的的五价元素素，如磷、、砷、锑等等。组成共共价键时，，多余的一一个价电子子处于共价价键之外，，束缚力较较弱而成为为自由电子子，同时杂杂质原子变变成带正电电荷的离子子。显然掺掺入的杂质质越多，杂杂质半导体体的导电性性能越好，，这种掺杂杂所产生的的自由电子子浓度远大大于本征激激发所产生生的电子—空穴对的浓浓度，所以以杂质半导导体的导电电性能远超超过本征半半导体。显然，这种种杂质半导导体中自由由电子浓度度远大于空空穴浓度，，所以称电电子为多数数载流子（（又称多子子），空穴穴为少数载载流子（又又称少子）），因为这这种半导体体的导电能能力主要依依靠自由电电子，所以以称其为N型半导体或或电子型半半导体。2.P型半导体在四价晶体体中掺入微微量的三价价元素，如如铝、硼、、锢等，三三价原子在在与四价原原子组成共共价键时，，因缺少一一个电子而而产生一个个空穴，很很容易吸引引邻近的价价电子来填填补，于是是杂质原子子变为带负负电荷的离离子，而在在邻近的四四价原子处处出现一个个空穴，由由于这种杂杂质原子能能吸收电子子，因此称称为“受主主杂质”。。在这种杂杂质半导体体中，空穴穴浓度远大大于自由电电子浓度，，空穴为多多子，自由由电子为少少子。因为为这种半导导体的导电电主要依靠靠空穴，而而空穴带正正电荷，所所以称其为为P型半导体或或空穴型半半导体。N型、P型半导体总总体上均是是电中性的的，其内部部均有两种种载流子存存在，其中中多子的浓浓度取决于于所掺杂质质的浓度，，少子的浓浓度与温度度或光照的的影响密切切相关。为突出杂质质半导体的的主要特征征，在画P型或N型半导体时时，常常只只画多子和和离子成对对出现，如如图1.4所示。图1.4杂质半导体体当然，对半半导体掺杂杂是提高半半导体导电电能力的最最有效的办办法，但是是，仅仅提提高导电能能力不是最最终目的，，导体的导导电能力不不是更强吗吗？杂质半半导体的微微妙之处在在于：将不不同性质，，不同浓度度的杂质掺掺入，再将将P型半导体和和N型半导体以以不同的形形式结合起起来，就可可以构造出出各种类型型的半导体体器件。1.2半导体二极极管1.2.1PN结的形成及及其单向导导电性能1.半导体中载载流子的运运动及PN结的形成半导体中有有电子和空空穴这两种种载流子，，当这些载载流子作定定向运动时时就形成电电流。半导导体中的载载流子运动动有漂移运运动和扩散散运动两种种方式，相相应地也就就有漂移电电流和扩散散电流这两两种电流。。（1）漂移运运动和漂移移电流（2）扩散运运动和扩散散电流（3）PN结的形成2.PN结的单向导导电性若在PN结两端接上上外加电源源，也就是是PN结被偏置了了。由于偏偏置电压的的作用，动动态平衡遭遭到破坏。。通常，外外加电源有有两种接法法：如果电电源正极接接PN结的P区，电源负负极接PN结的N区，则称为为正向偏置置，如图1.6（a）所示。如如果电源正正极接PN结的N区，电源负负极接PN结的P区，则称为为反向偏置置，如图1.6（b）所示。图1.6PN结的单向导导电性正向偏置情情况下，外外电场与内内电场方向向相反，削削弱了内电电场，有利利于多子的的扩散而不不利于少子子的漂移，，使耗尽层层变窄，多多子源源不不断地从电电源得到补补充形成较较大的电流流，而少子子在内电场场作用下形形成的漂移移电流则很很小，把正正向偏置时时PN结流过的电电流称为正正向电流，，反之为反反向电流。。因为正向向电流较大大，PN结对外电路路呈现出较较小的电阻阻，称其为为正向电阻阻，并把这这种状态称称为PN结导通。反向偏置情情况下，外外电场与内内电场方向向一致，加加强了内电电场，在它它们的共同同作用下，，多子皆背背离耗尽层层向两边运运动，使耗耗尽层变宽宽，PN结对外呈现现出很大的的电阻，称称其为反向向电阻。此此时PN结中的电流流主要是少少子的漂移移电流，由由于少子浓浓度低，所所以PN结中的反向向电流很小小，这种状状态称为PN结截止。1.2.2二极管的结结构和分类类1.二极管的结结构用一个PN结做管芯,在其P区和N区各引出一一电极,外加管壳封封装,便构成一个个二极管,如图1.7（a）所示。和和P区相连的电电极称为二二极管的阳阳极（或正正极），用用a或+表示。和N区相连的电电极称为二二极管的阴阴极（或负负极），用用k或-表示。二极极管的图形形符号如图图1.7(b)所示。其中中三角箭头头的方向表表示正向电电流的方向向。图1.7二极管的图图形及代表表符号2.二极管的分分类二极管按所所使用的材材料不同可可分为锗管管和硅管，，按其内部部结构的不不同可分为为点接触型型、面接触触型和平面面型。点接触型二二极管由于于其PN结的结面积积很小，结结电容也相相应较小，，所以虽然然允许通过过的电流较较小，但能能工作在较较高的频率率。像国产产的2AP型、2AK型就是点接接触型二极极管。面接触型二二极管PN结面积大，，能允许通通过较大的的电流，但但由于其结结电容也大大，所以一一般用于较较低频率的的整流电路路中。像国国产的2CZ型、2CP型就是面接接触型二极极管。3.二极管的命命名方法对二极管2AP1来说，“2”表示二极管管；第一个字母母表示材料料和极性：：“A”——N型锗材料、、“B”——P型锗材料、、“C”——N型硅材料、、“D”——P型硅材料；；第二个字母母表示器件件类型：““P”——普通管、““V”——微波管、““W”——稳压管、““Z”——整流管、““L”——整流堆、““U”——光电管、““K”———开关管等等。如两个管管子的型型号中只只是最后后的数字字部分不不同，表表明这两两个管子子性能上上有些差差别。1.2.3二极管的的U-I特性半导体器器件的性性能可用用其伏安安特性来来描述。。所谓的的伏安特特性就是是，流过过它的电电流I与它两端端的电压压U的关系曲曲线I=f(U)。由于二二极管的的核心是是PN结，因此此从理论论上讲，，其U—I特性与PN结的U—I特性几乎乎相同，，一个典典型的二二极管的的U—I特性如图图1.8所示。特特性曲线线可分为为两部分分：加正正向偏置置电压时时的特性性称为正正向特性性，加反反向偏置置电压时时的特性性称为反反向特性性。图1.8二极管的的伏安特特性(硅管)1.正向特性性正向电压压较小时时，正向向电流几几乎为零零。这是是因为加加在PN结上的外外电压太太小，不不足以克克服内电电场对扩扩散运动动的阻碍碍作用，，这时二二极管实实际没有有导通，，对外呈呈现很大大的电阻阻，这一一部分称称为正向向特性的的“死区区”，死死区以后后的正向向特性上上升很快快，说明明正向电电压超过过某一数数值后，，电流才才显著增增大，这这个电压压值叫导导通电压压或死区区电压（（门坎电电压Uon）。室温下，，一般来来说，硅硅管Uon大约为0.5V，锗管Uon大约为0.1V，当所加加电压大大于Uon时，内电电场被大大大削弱弱，二极极管才真真正处于于导通状状态，并并呈现出出很小的的电阻（（流过二二极管的的电流有有较大的的变化，，而其两两端压降降变化小小）。一一般来说说，硅管管导通压压降保持持在大约约0.6V～0.8V，锗管导导通压降降保持在在大约0.1V～0.3V。2.反向特性性在反向偏偏置电压压下，内内外电场场方向一一致，少少数载流流子的漂漂移很容容易通过过PN结形成反反向饱和和电流，，由于少少数载流流子的数数目很小小（由本本征激发发引起）），所以以反向电电流很小小，且几几乎不随随电压增增大而变变化，但但受温度度影响较较大。小小功率硅硅管的反反向电流流一般小小于0.1μμA，而锗管管通常为为几十微微安。当反向电电压增加加到一定定的大小小（UBR：反向击击穿电压压）时，，反向电电流剧增增，发生生反向击击穿现象象，反向向击穿电电压一般般在几十十伏以上上（高压压管可为为几千伏伏）。一一般来说说，只要要在电路路中采取取适当的的限压措措施，就就能保证证二极管管的电击击穿不会会演变成成热击穿穿而避免免损坏二二极管。。1.2.4二极管的的主要参参数二极管的的特性还还可以用用它的参参数来表表示，参参数用来来定量描描述管子子的性能能指标，，表明管管子的应应用范围围，因此此，参数数是正确确使用和和合理选选择二极极管的依依据。参参数的获获得可以以通过直直接测量量得到，，很多参参数还可可以查手手册。1.最大整流流电流（（IF）2.最大反向向工作电电压（UR）3.反向电流流（IR）4.最高工作作频率（（fm）1.2.5特殊二极极管1.稳压二极极管（齐齐纳二极极管）（1）稳压压二极管管的特点点（2）稳压压二极管管的主要要参数图1.9稳压二极极管的稳稳压电路路2.光电二极极管光电子系系统的突突出优点点：抗干干扰能力力强，可可大量传传输信息息，且传传输功耗耗小，工工作可靠靠，而光光信号与与电信号号之间的的接口需需要由一一些特殊殊的光电电子器件件来完成成。（1）光敏敏二极管管光敏二极极管与普普通PN结二极管管类似，，但在其其PN结处，有有玻璃窗窗口能接接收外部部的光照照，PN结在反向向偏置下下工作，，它的反反向电流流随光照照强度增增加而上上升。主要特点点：反向向电流与与照度成成正比。。无光照照时，反反向电流流很小，，称其为为暗电流流；有光光照时，，反向电电流很大大，称其其为光电电流。（2）发光光二极管管发光二极极管（LED）是一种种发光器器件，它它利用二二极管正正偏时PN结两侧的的多子直直接复合合释放出出光能，，普通PN结在导通通时以热热的形式式释放能能量，而而由砼、、砷等化化合物制制成的PN结在导通通时以光光的形式式释放能能量。主要特点点：工作作在正向向偏置，，在正向向电流达达到一定定值时发发光。一一般发光光电流为为几毫安安到几十十毫安。。1.2.6二极管的的基本电电路及其其分析方方法在电子技技术中，，二极管管得到广广泛应用用，如限限幅电路路、开关关电路、、低电压压稳压电电路等，，由于二二极管是是非线性性元件，，因而二二极管电电路一般般采用非非线性电电路的分分析方法法，这里里介绍模模型分析析法。依据二极极管正向向U-I特性建模模，可以以有多种种模型。。这里介介绍两种种常用形形式，如如图1.10所示。1.理想模型型2.恒压降模模型图1.10二极管模模型1.3半导体三三极管1.3.1半导体三三极管结结构简介介半导体三三极管又又称晶体体管，有有3个电极,是由一定定工艺制制成的具具有两个个PN结的半导导体器件件。结构与分分类：按按其结构构分为NPN和PNP两类，如如图1.13所示。图1.13半导体三三极管的的结构及及符号当然,半导体三三极管绝绝不是两两个PN结的简单单连接，，它的工工艺特点点是，基基区很薄薄且杂质质浓度低低，发射射区杂质质浓度高高，集电电结面积积大，这这3个特点保保证了半半导体三三极管具具有较好好的电流流放大作作用。一个NPN的硅平面面管的工工艺过程程可简略略描述如如下：在在N型硅片氧氧化膜上上光刻一一个窗口口进行硼硼杂质扩扩散，获获P型基区，，经氧化化护膜后后再在P型区上光光刻一个个窗口，，进行高高浓度的的磷扩散散，获得得高杂质质浓度的的N型发射区区。分类方式式：按结结构分为为NPN和PNP；按其适适应的工工作频率率可分为为高频管管和低频频管；按按功率大大小可分分为小、、中、大大功率管管。按材材料分为为硅管、、锗管，，国内硅硅管多为为NPN型，锗管多为为PNP型。大功率管经常常只有两个电电极（B极和E极）引出，另另一个电极（（C极）是外壳；；而有些高频频管、开关管管，引出4个电极，其中中有一个电极极为接地屏蔽蔽用。1.3.2半导体三极管管的放大原理理半导体二极管管与半导体三三极管的最大大不同之处，，就是其具有有电流的放大大作用。在电子线路中中，放大有如如下两个方面面的含义。①放大的对象是是变化量，如如扩音机待放放大的对象是是不断变化的的各种音频信信号。②电路的输出电电压或电流的的变化量大于于输入电压或或电流的变化化量。放大的的结果是输出出端的能量大大于输入端的的能量，这体体现了对能量量的一种控制制作用，具有有能量控制作作用的器件，，叫有源器件件，如半导体体三极管（场场效应管、集集成运算等））就是有源器器件。要了解半导体体三极管放大大原理，就要要分析其内部部载流子的运运动情况，如如图1.14所示。为此，，首先必须要要使半导体三三极管有一合合理的偏置。。半导体三极极管内部有两两个PN结，一共可有有4种偏置方式，，为体现放大大作用，首先先必须保证有有足够多的多多子运动，所所以发射结要要正偏，这样样发射区能不不断向基区发发射载流子；；其次，集电极极电流必须由由非集电极本本身的多子运运动形成，才才能体现其电电流控制作用用，因此，集集电结要反偏偏。不管半导导体三极管组组成的放大电电路形式如何何变化，要使使其具有放大大作用，都必必须满足发射射结正偏，集集电结反偏。。图1.14半导体三极管管内部载流子子的运动在发射结正偏偏，集电结反反偏的情况下下，载流子运运动可分为如如下3个过程。1.发射区向基区区注入电子2.电子在基区的的扩散与复合合3.集电区收集扩扩散到集电结结边缘的电子子1.3.3半导体三极管管的特性曲线线半导体三极管管的特性曲线线是指半导体体三极管的各各极电压与电电流之间的关关系曲线，它它是半导体三三极管内部载载流子运动的的外部表现，，由于半导体体三极管和半半导体二极管管一样也是非非线性元件，，所以通常用用它的特性曲曲线来进行描描述，从使用用半导体三极极管的角度来来看，了解它它的特性比了了解它的内部部载流子运动动更为重要。。由于半导体体三极管有3个电极，它的的U-I特性就不像半半导体二极管管那样简单，，工程中常用用到的是它的的输入和输出出特性曲线。。在半导体器件件手册中，有有时给出某些些半导体三极极管的典型特特性曲线，但但由于电子元元件本身的分分散性，即使使是同型号的的元件，特性性也不完全一一致，所以只只能作为使用用时的参考。。实际应用中中，通常通过过晶体管特性性图示仪对输输入、输出特特性进行显示示，或通过实实验进行测量量。利用半导体三三极管组成的的放大电路，，通常将一个个电极作为信信号输入端，，一个电极作作为输出端，，另一个电路路作为输入、、输出回路的的共同端，根根据共同端的的不同，半导导体三极管可可有3种连接方式（（3种组态）：共共基极电路、、共发射极电电路和共集电电极电路。下下面以共射极极电路为例介介绍半导体三三极管的特性性曲线。1.输入特性2.输出特性(1)截止区(2)放大区(3)饱和区图1.15三极管的特性性曲线1.3.4半导体三极管管的主要参数数1.电流放大系数数2.反向饱和电流流3.极限参数4.半导体三极管管的选择1.4场效应三极管管双极性三极管管是电流控制制器件，其输输入电阻不够够高，在许多多场合下不能能满足人们的的要求，经过过不断的探索索和实践，人人们研制出一一种仍具有PN结，但工作机机理全然不同同的新型半导导体器件——场效应管。场场效应三极管管用电场效应应来控制电流流，故此命名名，它的特点点是输入阻抗抗高、噪音低低、热稳定性性好且抗幅射射能力强，在在工艺上便于于集成，因此此得到广泛的的应用。根据结构和原原理的不同，，场效应三极极管可分为以以下两大类。。①结型场效应三三极管②绝缘栅型场效效应三极管1.4.1结型场效应管管（JFET）1.结构以N沟道结型场效效应管为例，，以一块N型（多子为电电子）半导体体作基片，在在它的两侧各各光刻出一块块区域，进行行高浓度P+扩散（三价的的硼），在两两侧形成两个个PN结。两个P+区的引出线连连在一起，作作为一个电极极，称之为栅栅极G。在N型半导体的两两端各引出两两个电极，分分别叫源极S和漏极D。3个电极的作用用，可以近似似地认为分别别相当于半导导体三极管的的基极、射极极和集电极。。两个PN结之间的区域域，称为导电电沟道，当在在漏极和源极极间加上电压压，这个区域域就是载流子子流过的渠道道，也就是电电流的通道。。由于这里的的导电通道是是N型半导体，所所以这种管子子叫N沟道结型场效效应管，它的的代表符号如如图1.18(a)所示。箭头的的方向，表示示栅源极间PN结处于正偏时时栅极电流的的方向。图1.18结型场效应管管的结构和符符号P沟道结型场效效应管除偏置置电压的极性性和载流子的的类型与N沟道结型场效效应管不同外外，其工作原原理完全相同同，因此下面面只讨论N沟道结型场效效应管。2.工作原理半导体三极管管工作在放大大状态时，其其发射结正偏偏，当电压信信号输入时，，就产生一定定的输入电流流，所以其输输入电阻较低低，而场效应应管要达到高高输入电阻这这一特点，就就必须使PN结工作在反偏偏状态。要保保证这两个PN结在导导电沟沟道的的任何何一处处均处处于反反偏状状态，，因此此栅（（G）、源源（S）之间间应加加负电电压，，漏（（D）源（（S）之间间加正正电压压。分析其其工作作原理理，主主要是是讨论论输入入电压压UGS是怎样样对输输出电电流ID进行控控制的的，在在反向向偏置置的情情况下下，