模擬電子電路基礎(chǔ).1

1、第一章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體的特性1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型三極管(BJT)1.4場效應(yīng)三極管第一節(jié) 半導(dǎo)體的特性本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1. 半導(dǎo)體(semiconductor)共價鍵covalent bond半導(dǎo)體的定義：將導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一大類物質(zhì)統(tǒng)稱為半導(dǎo)體。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用主要材料是硅和鍺一、本征半導(dǎo)體(intrinsic semiconductor)價電子在硅(或鍺)的晶體中,原子在空間排列成規(guī)則的晶格。晶體中的價電子與共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+42. 本征半導(dǎo)體(intrinsic semiconductors)純凈的、不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)

2、體。在本征半導(dǎo)體中，由于晶體中共價鍵的結(jié)合力很強，在熱力學溫度零度（即T = 0 K ）時，價電子的能量不足以掙脫共價鍵的束縛，晶體中不存在能夠?qū)щ姷妮d流子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體中的載流子帶負電的自由電子free electron帶正電的空穴hole如果溫度升高，少數(shù)價電子將掙脫共價鍵束縛成為自由電子。在原來的共價鍵位置留下一個空位，稱之為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶負電的自由電子和帶正電的空穴。在一定溫度下電子 空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡。在本征半導(dǎo)體中，兩種載流子總是成對出現(xiàn)稱為 電子 空

3、穴對本征載流子的濃度對溫度十分敏感電子 空穴對兩種載流子濃度相等1. N型（或電子型）半導(dǎo)體 (N-type semiconductor)二、 雜質(zhì)半導(dǎo)體則原來晶格中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子與周圍四個硅原子組成共價鍵時多余一個電子。這個電子只受自身原子核吸引，在室溫下可成為自由電子。在4價的硅或鍺中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，在本征半導(dǎo)體中摻入某種特定的雜質(zhì)，就成為雜質(zhì)半導(dǎo)體。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由電子的雜質(zhì)原子固定在晶格上不能移動，并帶有正電荷，稱為正離子。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，電子的濃度大大高于空穴的濃度。 因主要依

4、靠電子導(dǎo)電，故稱為電子型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子majority carrier少數(shù)載流子minority carrier5價的雜質(zhì)原子可以提供電子，所以稱為施主原子。+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，空位2. P型半導(dǎo)體(P-type semiconductor) 當它與周圍的硅原子組成共價鍵時，將缺少一個價電子，產(chǎn)生了一個空位。空位為電中性。硅原子外層電子由于熱運動填補此空位時，雜質(zhì)原子成為負離子，硅原子的共價鍵中產(chǎn)生一個空穴。在這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中，空穴的濃度遠高于自由電子的濃度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室溫下仍有電子 空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合。

5、多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要依靠空穴導(dǎo)電，所以又稱為空穴型半導(dǎo)體。 3價的雜質(zhì)原子產(chǎn)生多余的空穴，起著接受電子的作用，所以稱為受主原子。少數(shù)載流子在雜質(zhì)半導(dǎo)體中：雜質(zhì)濃度不應(yīng)破壞半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入雜質(zhì)的濃度；而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的優(yōu)點：摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，并使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體以不同方式組合，可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導(dǎo)體器件。總結(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管PN結(jié)及其單向?qū)щ娦远O管的伏安特性二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管-+-PN1. PN結(jié)中載流子的運動 -+-空間電荷區(qū)內(nèi)電場UD又稱耗盡層，即PN結(jié)。最終擴散(diffus

6、ion)運動與漂移(drift)運動達到動態(tài)平衡，PN結(jié)中總電流為零。內(nèi)電場又稱阻擋層，阻止擴散運動，卻有利于漂移運動。硅約為（0.60.8）V鍺約為（0.20.3）V一、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詳U散漂移NP-+-RV正向電流外電場削弱了內(nèi)電場有利于擴散運動，不利于漂移運動?？臻g電荷區(qū)變窄2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦约诱螂妷?-U耗盡層內(nèi)電場UD - U外電場I稱為正向接法或正向偏置（簡稱正偏，forward bias)PN結(jié)處于正向?qū)?on)狀態(tài)，正向等效電阻較小。+-U-+-RV稱為反向接法或反向偏置（簡稱反偏）一定溫度下， V 超過某一值后 I 飽和，稱為反向飽和電流 IS 。結(jié)論：PN結(jié)具

7、有單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǎ聪蚪刂埂?內(nèi)電場 外電場UD + U 空間電荷區(qū)外電場增強了內(nèi)電場有利于漂移運動，不利于擴散運動。反向電流非常小，PN結(jié)處于截止(cut-off)狀態(tài)。加反向電壓I反向電流IS 對溫度十分敏感。動畫PN二、二極管的伏安特性陽極從P區(qū)引出，陰極從N區(qū)引出。1. 二極管的類型從材料分：硅二極管和鍺二極管。從管子的結(jié)構(gòu)分：對應(yīng)N區(qū)對應(yīng)P區(qū)點接觸型二極管，工作電流小，可在高頻下工作，適用于檢波和小功率的整流電路。面接觸型二極管，工作電流大，只能在較低頻率下工作，可用于整流。開關(guān)型二極管，在數(shù)字電路中作為開關(guān)管。 二極管的符號陽極anode陰極cathode302010I/mA

8、UD/V0.5 1.0 1.5 20 1024-I/O正向特性死區(qū)電壓IsUBR反向特性+-UDI2. 二極管的伏安特性當正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管導(dǎo)通,電流與電壓關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系。硅二極管為0.7 V左右鍺二極管為0.2 V左右死區(qū)電壓正向特性0.5 1.0 1.5102030U/VI/mA0 二極管正向特性曲線硅二極管為0.5 V左右鍺二極管為0.1 V左右死區(qū)電壓：導(dǎo)通壓降： 正向特性反偏時，反向電流值很小，反向電阻很大，反向電壓超過UBR則被擊穿。IS反向特性UBR結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦?，正向?qū)ǎ聪蚪刂?。二極管方程：反向飽和電流反向擊穿電壓若|U| UT則 I - IS 式

9、中： IS為反向飽和電流 UT 是溫度電壓當量， 常溫下UT近似為26mV。 反向特性-2-4-I/AI/mAU/V-20 -100若U UT 則三、二極管的主要參數(shù) 最大整流電流 IF指二極管長期運行時，允許通過管子的最大正向平均電流。IF的數(shù)值是由二極管允許的溫升所限定。 最高反向工作電壓 UR工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR 。 反向電流 IR室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值愈小愈好。 IR受溫度的影響很大。 最高工作頻率 fMfM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大

10、小。結(jié)電容愈大，則二極管允許的最高工作頻率愈低。 二極管除了具有單向?qū)щ娦砸酝?，還具有一定的電容效應(yīng)。 勢壘電容 Cb由PN結(jié)的空間電荷區(qū)形成，又稱結(jié)電容，反向偏置時起主要作用。 擴散電容 Cd由多數(shù)載流子在擴散過程中的積累引起，正向偏置時起主要作用。例1.2.1已知uI = Umsin t ，畫出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmtuoOtuDOuI0 時二極管導(dǎo)通，uO = uI uD = 0uI 0 時二極管截止，uD = uI uO = 0-UmioUmtuIO例1.2.2 二極管可用作開關(guān)VVDVSVVDVS正向偏置，相當于開關(guān)閉合。反向偏置，相當于開關(guān)斷開。四、

11、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種面接觸型二極管，與二極管不同之處：1.采用特殊工藝，擊穿狀態(tài)不致?lián)p壞；2.擊穿是可逆的。符號及特性曲線如下圖所示：UI+-IUO 穩(wěn)壓管的伏安特性和符號UI值很小有穩(wěn)壓特性陰極陽極穩(wěn)定電壓UZ ：穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的工作電 壓。2. 穩(wěn)定電流IZ ：穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。3. 動態(tài)內(nèi)阻rZ ：穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。 rZ= U / I4. 電壓的溫度系數(shù)U：穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度 對穩(wěn)定電壓的影響。5. 額定功耗PZ ：電流流過穩(wěn)壓管時消耗的功率。主要參數(shù)：使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時的注意事項：穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管應(yīng)與負載RL并聯(lián)。必須

12、限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ 。UORLVDZRUIIRIOIZ+- 穩(wěn)壓管電路例1.2.3 電路如圖所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 對應(yīng)UZ= 0.3V。求rZ ，選擇限流電阻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 有兩個穩(wěn)壓管 VD1 和 VD2 ，它們的穩(wěn)壓值為UZ1 = 6 V，UZ2 = 8 V，正向?qū)▔航稻鶠?UD = 0.6 V，將它們串聯(lián)可得到幾種穩(wěn)壓值?U=UD+UD = 1.2 VU=UZ1+UD = 6.6 VU =UZ1+UZ2 = 14 VU=UD+UZ2 = 8.6 V第三節(jié) 雙極結(jié)型三極管三極管的結(jié)構(gòu)三極管中載流子的運動和電流分配關(guān)系三極管的特性曲線三極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體三極管 晶體管 (tr

14、ansistor) 雙極型三極管或簡稱三極管制作材料：分類 ：它們通常是組成各種電子電路的核心器件。雙極結(jié)型三極管又稱為 ：硅或鍺NPN型PNP型一、 三極管的結(jié)構(gòu)三個區(qū)發(fā)射區(qū)：雜質(zhì)濃度很高基 區(qū)：雜質(zhì)濃度低且很薄集電區(qū)：無特別要求發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)cbeNPN型三極管的結(jié)構(gòu)和符號兩個PN結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)三個電極發(fā)射極 e基極 b集電極 c集電極 ccollector基極 bbase發(fā)射極 eemitterNPNRbRcVBBVCCecb發(fā)射極電流二、三極管中載流子的運動和電流分配關(guān)系發(fā)射: 發(fā)射區(qū)大量電子向基區(qū)發(fā)射。2. 復(fù)合和擴散：電子在基區(qū)中復(fù)合擴散。3. 收集：將擴散過來的電子

15、收集到集電極。同時形成反向飽和電流ICBO 。IEICIBICNIENIBNICBO集電極電流基極電流RbRcVBBVCCecbIEICIBICNIENIBNICBOIC = ICn + ICBOIE = ICn + IBnIC =IE + ICBO當ICBO IC時，可得ICIEIEn = ICn + IBnIE = IEn IE = IC + IB將 代入IC = ICn + ICBO 得ICn=IE通常將定義為共基直流電流放大系數(shù)。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 當ICEO 1 時的一條輸入特性來代表。uBE/ViB/AO 三極管的輸入特性uBEiB+-uCE=0VBBRbbec 三極管的輸入回路2. 輸出特性iC/mAOuCE/ViB=806040200iC=f(uCE)iB=常數(shù)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)：iB 0的區(qū)域，iC 0 ，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏。3. 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏，uCE較小，iC 基本不隨iB 而變化。當uCE = uBE 時，為臨界飽和；當uCE uBE 時過飽和。截止區(qū)2. 放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏iC = iB 發(fā)射結(jié)反向偏置,集電結(jié)反向偏置,三極管工作在截止區(qū),可調(diào)換 VBB 極性。發(fā)射

17、結(jié)反向偏置,三極管工作在截止區(qū),可調(diào)換 VCC 極性,或?qū)T更換為PNP型。兩PN結(jié)均正偏,三極管工作在飽和區(qū)。例1.3.1 判斷圖示各電路中三極管的工作狀態(tài)。0.7VVT0.3VRbRcVCCVBBVTRbRcVCCVTVBB = iB Rb + uBEiBiCiB = 46.5 A iB = 2.3 mA假設(shè)三極管飽和，UCES = 0.3 V則ICS =VCC - UCESRc= 4.85 mA iB ICS 假設(shè)成立，三極管工作在飽和區(qū)?；蛘遡C = iB = 23 mAuCE = VCC - iC Rc = -36 V發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏，三極管工作在飽和區(qū)。RbRcVCCVBBV

18、T2k20k10V10V=50四、 三極管的主要參數(shù)2. 反向飽和電流 =iC iBICIB 共基直流電流放大系數(shù) =iCiE 共基電流放大系數(shù)=ICIE 共射直流電流放大系數(shù) 集電極和基極之間的反向飽和電流 ICBO 集電極和發(fā)射極之間的穿透電流 ICEOICEO =（1+ ）ICBO 兩者滿足1. 電流放大系數(shù) 共射電流放大系數(shù)3. 極限參數(shù)a. 集電極最大允許電流 ICMiC/mAOuCE/V三極管的安全工作區(qū)過流區(qū)集射反向擊穿電壓U(BR)CEO集基反向擊穿電壓U(BR)CBOiCuCE=PCM過壓區(qū)安 全工作區(qū)ICM過損耗區(qū)U(BR)CEOc. 極間反向擊穿電壓b. 集電極最大允許耗

19、散功率 PCM五、 PNP型三極管PNP型三極管的放大原理與NPN型基本相同，但外加電源的極性相反。VBBuiRbRcVT+-uOVCCVBBuiRbRcVT+-uOVCC在由PNP型三極管組成的放大電路中，三極管中各極電流和電壓的實際方向如圖(a)所示，根據(jù)習慣三極管中電流和電壓的規(guī)定正方向如圖(b)所示。UCE UBE IE IC IB c b e (-) (+) (+) (-) (a) UCE UBE IE IC IB c b e (-) (+) (+) (-) (b) 定量計算中，將得出PNP型三極管的UBE和UCE為負值。在PNP型三極管的輸入和輸出特性曲線中，電壓坐標軸上將分別標注

20、“ - UBE”和“ - UCE”。電流實際方向與規(guī)定方向一致，電壓實際方向與規(guī)定方向相反。第四節(jié) 場效應(yīng)三極管 結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)三極管中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道一、結(jié)型場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)N型溝道耗盡層gdsP+P+N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號柵極漏極源極2. 工作原理uGS = 0uGS UGS(off)uGS UGS(off) 當uDS 0 時， uGS 對耗盡層和 iD 的影響。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds溝道

21、變窄， iD 較小。NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS 0，uGD= UGS(off)，uGS UGS(off) ，uGD UGS(off)，iD 0， 導(dǎo)電溝道夾斷。iD更小， 導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷。3. 特性曲線 轉(zhuǎn)移特性iD = f（uGS）|uDS=常數(shù)gdsmAVVIDVGGVDD場效應(yīng)管特性曲線測試電路溝道結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)飽和漏極電流柵源間加反向電壓 uGS UGS(th)時形成導(dǎo)電溝道VGG導(dǎo)電溝道的形成假設(shè)uDS = 0 ，同時uGS 0 靠近二氧化硅的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層，若增大uGS ，則耗盡層變寬。又稱之為反型層導(dǎo)電溝道隨uGS 增大而增寬。uDS對導(dǎo)電溝道的影響uGS為某一個大于UGS(th)的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，且uDS UGS(th)則有電流iD 產(chǎn)生，iD使導(dǎo)電溝道發(fā)生變化。當uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th)即uGD = uGS - uDS = UGS(th) 時，溝道被預(yù)夾斷， iD 飽和。P型襯底N+N+sgdBVGGN型溝道VDDuDS對導(dǎo)電溝道的影響 特性曲線IDOUGS(th)2UGS(th)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD/mAuDS/VOuGS/ViD/mAO當uGS UGS(th)時截止區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用以下公式表示：2. N溝道耗