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文檔簡介
1、第一章 常用半導(dǎo)體器件1Q&A:11.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識11.1.1 本征半導(dǎo)體11.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體21.1.3 PN結(jié)21.2 半導(dǎo)體二極管41.2.1 二極管常見結(jié)構(gòu)41.2.3 二極管的主要參數(shù)51.2.5 穩(wěn)壓二極管51.2.6 其他類型二極管51.3 晶體三極管61.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型61.3.2 晶體管的放大作用61.3.3 晶體管的共射特性曲線71.3.4 晶體管的主要參數(shù)71.4 場效應(yīng)管81.4.1結(jié)型場效應(yīng)管81.4.2 絕緣柵型場效應(yīng)管10第二章 基本放大電路132.1 放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)132.3 放大電路的分析方法14第一章 常用半
2、導(dǎo)體器件Q&A:?1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1.1 本征半導(dǎo)體導(dǎo)體形成電流:導(dǎo)體一般為低價元素,最外層的點子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子,在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動而產(chǎn)生電流。高價元素對電子的束縛力強,外層電子很難掙脫,所以是絕緣體。半導(dǎo)體用的硅和鍺屬于4價元素,介于導(dǎo)體和絕緣體中間。共價鍵:共價鍵中的電子跑出來之后就成為自由電子,在原位置形成空穴。空穴電流和電子電流,自由電子的定向移動形成電子電流,電子的移動過程中,電子將以一定的方向依次的填補空穴導(dǎo)致空穴也定向產(chǎn)生移動,故而產(chǎn)生空穴電流,半導(dǎo)體相比導(dǎo)體的一個特殊性就是半導(dǎo)體有兩種載流子,空穴和電子,而導(dǎo)體只有電子。本征半導(dǎo)體載
3、流子的濃度公式:ni=pi=K1T32e-EG02kT其中:ni和pi為電子和空穴的濃度k為波爾茲曼常數(shù)(8.63*10-5eV/K)EG0為熱力學(xué)零度時破壞共價鍵所需的能量,又稱禁斷寬度(硅為1.21eV,鍺為0.785eV)K1是與半導(dǎo)體材料載流子有效質(zhì)量,有效能級密度有關(guān)的常量(硅為1.87*1016cm-3*k-3/2, 鍺為1.76*)常溫時(T=300K),硅材料ni=pi=1.43*1010cm-3, 鍺材料ni=pi=2.38*1013cm-3本征半導(dǎo)體對溫度敏感,既可以用來做熱敏和光敏器件,有是造成半導(dǎo)體溫度穩(wěn)定性差的原因。從濃度公式可以看出,本征半導(dǎo)體的載流子濃度只和溫度有
4、關(guān),溫度越高,濃度越大。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體:參雜5價元素(如磷),則在共價鍵之外形成了自由電子。P型半導(dǎo)體:參雜3價元素(如硼),則共價鍵上形成空穴。參雜的濃度越高,則多子的濃度越高,導(dǎo)電能力越強。1.1.3 PN結(jié)PN結(jié):將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一硅片上,就形成了PN結(jié)。PN結(jié)的平衡:PN結(jié)合在一起的時候,電子用N擴散到P,空穴相反。同時會形成空間電荷區(qū)(耗盡層),此電荷區(qū)的方向正好和電子擴散的方向相反,會使載流子形成漂移運動,當(dāng)漂移運動和擴散運動一樣的時候,就形成了平衡。PN結(jié)正偏:正電壓加到P,加大了擴散運動,削弱了內(nèi)電場,所以PN結(jié)導(dǎo)通,靠電子的運動形成電流。PN
5、結(jié)反偏:正電壓加到N,加大了內(nèi)電場從而加大了漂移運動,削弱了擴散運動,但是少子的數(shù)量極少(本征半導(dǎo)體激發(fā),又被參雜的綜合),所以漂移電流極少,所以PN結(jié)截止。PN結(jié)電流方程:i = Is(equkT-1)其中 Is 為反向飽和電流 q為電子電量 k為波爾茲曼常數(shù)如果將kT/q 用UT代替,則i = Is(euUT-1)室溫的時候,T=300K,UT=26mVu為正,即PN正偏的時候,u>> UT,則i = IseuUT, 即i和u成指數(shù)變化。u為負,即PN結(jié)反偏的時候,u>> UT,則I = - IsPN結(jié)伏安特性圖:反向擊穿電壓(UBR):反向擊穿有兩種,1. 齊納擊
6、穿:高濃度參雜時,耗盡區(qū)窄,不大的反向電壓就可以在耗盡層形成大電場,直接破壞共價鍵,產(chǎn)生電子空穴對,導(dǎo)致電流極具增大。2. 雪崩擊穿:低濃度參雜是,耗盡層寬,但當(dāng)電壓加到一定的程度是,電場使少數(shù)電子加速漂移,與共價鍵中的價電子碰撞,產(chǎn)生電子空穴對,新產(chǎn)生的電子空穴對又去碰撞其他價電子,引起雪崩效應(yīng),導(dǎo)致電流大大增加。從以上分析可知,高濃度參雜的擊穿電壓比較低。PN結(jié)的結(jié)電容:一種是勢壘電容,一種是擴散電容。勢壘電容是耗盡層根據(jù)偏置電壓的變化而變化產(chǎn)生的。擴散電容是耗盡層電容濃度梯隊變化產(chǎn)生的。1.2 半導(dǎo)體二極管1.2.1 二極管常見結(jié)構(gòu)二極管就是PN結(jié)+引線PN結(jié)面積越大,允許通過的電流越大
7、。二極管的伏安特性: 溫度升高,正向特性左移,反向特性下移硅的導(dǎo)通電壓為0.60.8,鍺的導(dǎo)通電壓為0.10.31.2.3 二極管的主要參數(shù)最大整流電流:長期運行時允許通過的最大正向平均電流,和PN結(jié)面積有關(guān)最高反向工作電壓UR:二極管工作中允許的最大反向電壓,一般為UBR的一半反向電流IR:二極管未擊穿時的反向電流。IR越小,二極管的單向?qū)щ娦栽胶媒刂诡l率FM: 二極管上限截止頻率,超過此值時,由于結(jié)電容的作用,二極管不能體現(xiàn)單向?qū)ㄐ?.2.5 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管工作在擊穿區(qū),在一定的功耗范圍內(nèi),電流的變化幾乎不會引起電壓的變化。當(dāng)然需要限制電流,比如加限流電阻,否則電流太大會燒壞管子。
8、主要參數(shù)有:穩(wěn)定電流IZ:小與IZ將沒有限流作用。大沒關(guān)系,只要不燒壞管子。額定功耗PZM:穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流的沉積。動態(tài)電阻rZ:rZ越小,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能越好,因為電流的變化引起的電壓變動小。溫度系數(shù)a:UZ<4V的管子屬于齊納擊穿,有負溫度特性,溫度越高,UZ越小,UZ>7V的管子屬于雪崩擊穿,溫度越高,UZ越大,4V<UZ<7V的管子,溫度系數(shù)非常小,齊納和雪崩都有。1.2.6 其他類型二極管發(fā)光二極管:開啟電壓比一般二極管大,紅色的在1.61.8V,綠色的為2V,正向電流越大,發(fā)光越強。光電二極管:無光照時,和普通二極管一樣,正偏時,電流和電壓呈指數(shù)關(guān)系,反
9、偏時電流稱為暗電流。有光照時,特性曲線往下移,照度一定時,光電二極管可等效成恒流源。照度越大,光電流越大,在光電流大于幾十微安時,與照度呈線性關(guān)系。1.3 晶體三極管1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型晶體管結(jié)構(gòu)(NPN):中間的p區(qū)稱為基區(qū),很薄且雜質(zhì)濃度很低b上層的N區(qū)為發(fā)射區(qū),摻雜濃度很高e下層的N區(qū)為集電區(qū),面積很大c發(fā)射極和基極的PN結(jié)為發(fā)射結(jié)集電極和基極的PN結(jié)尾集電結(jié)1.3.2 晶體管的放大作用共射放大電路條件,發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏晶體管的放大作用表現(xiàn)在小的基極電流可以控制大的集電極電流。發(fā)射極電流IE:發(fā)射結(jié)正偏(uBE >UON),發(fā)射區(qū)參雜濃度高,所以大量自由電子擴散運動
10、到達基區(qū)。擴散運動形成了發(fā)射極電流IE。其中空穴從基極往發(fā)射極移動,但是因為基極參雜濃度低,這個電流可以忽略?;鶚O電流IB:基區(qū)很薄,雜質(zhì)濃度很低,集電極又加了反向電壓,所以電子偏向于往集電極移動。只有極少部分和空穴復(fù)合產(chǎn)生基極電流IB。集電極電流IC:集電結(jié)反偏,反偏的作用就是吸引從發(fā)射區(qū)擴散到基極的電子(漂移運動),形成了集電極電流ICB = iCiB, a = iCiE = BB+11.3.3 晶體管的共射特性曲線輸入特性曲線:UCE一定的情況下,iB和uBE直接的關(guān)系。UCE=0是,和PN結(jié)的伏安特性類似。UCE增大,伏安特性右移,即相同的UBE,iB減少,因為UCE變大,集電區(qū)收集電
11、子能力加強,導(dǎo)致一部分電子越過基區(qū)到集電區(qū),導(dǎo)致基區(qū)電流變小。另外當(dāng)UCE達到一定程度,收集電子能力飽和之后,UCE再增大就不會使特性曲線右移了。(UCE得比UBE大吧,這樣才能算是集電結(jié)反偏吧?)輸出特性曲線:IB為常量時, iC和uCE之間的關(guān)系。1. 截止區(qū):uBE<uon且uCE>uBE 。認(rèn)為iC=0。2. 放大區(qū):uBE>uon且uCE>uBE, uCE足夠大,集電區(qū)收集電子能力飽和,iC只和iB有關(guān),這個有個概念不能混淆,工作在放大區(qū)反而是集電區(qū)收集電子能力飽和,而工作在飽和區(qū)反而是集電區(qū)收集電子能力沒飽和,要注意。3. 飽和區(qū):uBE>uon且uC
12、E<uBE:uCE還不夠大,uCE的增大能使集電區(qū)收集電子能力變大,并是iC變大。一般認(rèn)為uCB=0V時,是管子的臨界飽和和臨界放大狀態(tài)。1.3.4 晶體管的主要參數(shù)共射直流電流放大系數(shù)B極間反向電流ICBO,ICEO 選用管子時,應(yīng)找極間反向電流盡量小的,這樣溫度穩(wěn)定性好。共射交流電流放大倍數(shù)B特征頻率fT:使共射電流放大系數(shù)降為1的頻率為特征頻率,由于結(jié)電容的存在,如果信號頻率高到一定的程度,集電極電流相比基極電流不但數(shù)值下降,還會產(chǎn)生相移。1.4 場效應(yīng)管1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的半導(dǎo)體器件,僅依靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱單極性
13、晶體管。輸入回路內(nèi)阻高達1071012歐,噪聲低,熱穩(wěn)定性好,抗輻射能力強,且省電。分為結(jié)型和絕緣柵型兩種。兩個高摻雜的N區(qū),兩個高摻雜的P區(qū),兩個P區(qū)連在一起。PN結(jié)正電壓是耗盡層變窄,而負電壓使耗盡層變寬,負電壓越大,越寬。UGS是負的,負的越多,夾的越緊,到最后就截止了,沒有截止的情況下,Uds會讓電子從s往d跑,電流用d到s,沿著電流方向,電壓是越來越小的,所以越靠近s端,電壓越小,也就是說相對g端來說,反偏壓差越來越小,所以溝道越來越寬,越到d端溝道越窄,也就是說,在電子運動的路上,路越來越窄UGS一定的情況下(沒有截止)UDS越大,d端的溝道也會相應(yīng)變窄,而電場變大,當(dāng)UDS大到一
14、定程度,ID就不會變化了,因為d端的溝道太窄,而電場在變大,兩者抵消,ID就不變了。輸出特性:UGS為常量時,ID和UDS的關(guān)系。可變電阻區(qū):預(yù)夾斷軌跡為UDS=UGS-UGS(off)(UGD=UGS(off)),在預(yù)夾斷軌跡左邊為可變電阻區(qū),UGD>UGS(off),注意,此處UGS為負的。UGD>UGS,表面負的少。測試電流和UDS成線性關(guān)系。恒流區(qū):UDS>UGS-UGS(off)(UGD<UGS(off),此時,ID基本受UGS控制,場效應(yīng)管做放大器用時,應(yīng)工作在恒流區(qū)。夾斷區(qū):s端相比g端高太多(UGS<UGS(off)),導(dǎo)致夾斷了溝道,iD為0,轉(zhuǎn)
15、移特性:UDS為常量時,漏極電流iD于UGS的關(guān)系。iD=IDSS(1- -uGSUGS(off)), (UGS(off)<uGS<0)1.4.2 絕緣柵型場效應(yīng)管一共有4種:N溝道增強型管,N溝道耗盡型管,P溝道增強型管,P溝道耗盡型管。UGS加正電壓,吸引正離子靠近絕緣層,正離子排斥空穴從而加寬耗盡層,而正離子吸引電子從而形成反型層,成為導(dǎo)電溝道。UGS達到一定程度(UGS(th),則會形成導(dǎo)電溝道。然后再加UDS電壓,則電子從S到D,電流從D到S,而且,越靠近D端,反偏電壓越高,則耗盡層越寬,UDS高到使UGD=UGS(th)時溝道關(guān)閉,這是管子進入恒流去,因為繼續(xù)增大UDS
16、,不會讓電流增加,因為加大的電壓和溝道關(guān)閉導(dǎo)致的阻力抵消,電流不變。此時,電流的大小僅和UGS相關(guān)三個工作區(qū):夾斷區(qū),可變電阻區(qū)和恒流區(qū)??勺冸娮韬秃懔鲄^(qū)的臨界點是UGD=UGS(th)iD= IDO(uGSUGS(th)-1)2IDO 是UGS=2UGS(th)時的電流N溝道耗盡型管就是在絕緣層加了正離子,不需要UGS的情況下就可以形成反型層,所以就是N溝道增強型管子的轉(zhuǎn)移特性往左移就是了。第二章 基本放大電路2.1 放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)輸入電阻:輸入電阻越大,表明放大電路從信號源索取的電流越小,放大電路所得到的輸入電壓越接近信號源,換言之,信號源內(nèi)阻上的壓降越小,信號的損失越
17、小。輸出電阻:輸出電阻越小,負載電阻變化時,負載的電壓變化越小,成為放大電路的帶負載能力越強。2.3 放大電路的分析方法放大電路分析的目的就是求解靜態(tài)工作點和各項動態(tài)參數(shù)(AU,RI,RO)直流通路:1. 電容為開路 2. 電感為短路 3.信號源當(dāng)短路,但要保留電阻交流通路:1. 容量大的電容(如耦合電容)視為短路 2. 無內(nèi)阻的直流電源視為短路分析放大電路時,應(yīng)先靜態(tài),后動態(tài),靜態(tài)工作點用直流通路,動態(tài)參數(shù)用交流通路。簡化的h參數(shù)模型rbe= rbb + BUTICQ , rbb手冊上會寫出, UT=26mvrbe有動態(tài)電阻的概念,在電流越大的情況下,發(fā)射結(jié)的動態(tài)電阻越小基本共射放大電路動態(tài)參數(shù):1. Au=Uo/Ui = - BRcRb+rbe2. Ri = Ui/Ri = Rb+rbe3. Ro= Rc對電子電路輸出電阻進行分析時,可令信號源電壓Us=0,但保留內(nèi)阻Rs,然后在輸出端加一正弦波測試信號Uo,必然產(chǎn)生動態(tài)電流Io,則Ro= Uo/Io。由于rbe和Q點緊密相關(guān),所以動態(tài)參數(shù)和Q點緊密相關(guān)。另外要指出,放大電路輸入電阻和信號源內(nèi)阻無關(guān),輸出電阻
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