模拟电路教程第1章

第一章半导体器件基础1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4BJT模型1.5场效应管1.1半导体的基本知识在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一.本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。动画演示与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对自由电子带负电荷电子流动画演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制二.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.P型半导体杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层三.PN结及其单向导电性1.PN结的形成动画演示少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。动画演示1动画演示23.PN结的伏安特性曲线及表达式根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆根据理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ：u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.38×10－23q为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT|时4.PN结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）1.2半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(3)平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。一、半导体二极管的V—A特性曲线硅：0.5V锗：0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V锗：0.3V二.二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件二极管的模型DU串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。三.二极管的主要参数(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流IR——在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压四、稳压二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同二极管反偏电压≥UZ反向击穿＋UZ－限流电阻稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=U/IrZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流IZmin——保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流IZmax——超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。1.3半导体三极管半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor,简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。一.BJT的结构NPN型PNP型符号:三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极二．BJT的内部 工作原理 数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理 （NPN管）三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈IEN。（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈IBN。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN。另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。2．电流分配关系三个电极上的电流关系:IE=IC+IB定义：(1)IC与IE之间的关系:所以:其值的大小约为0.9～0.99。(2)IC与IB之间的关系：联立以下两式：得：所以：得：令：三.BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线iB=f(uBE)uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。（3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V(2)输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const现以iB=60uA一条加以说明。（1）当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic↑。（3）当uCE＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区四.BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：2.极间反向电流（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。++ICBOecbICEO3.极限参数Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PC=ICUCEPCM 图解 交通标志图片大全及图解交通标志牌图片大全及图解建筑工程建筑面积计算规范2013图解乒乓球规则图解老年人智能手机使用图解 法模拟(p54~56)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiC非线性部分线性部分iC=f(uCE)iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流负载线斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V直流工作点Q半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B1.5场效应管BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：绝缘栅场效应管结型场效应管场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。一.绝缘栅场效应三极管绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道1.N沟道增强型MOS管（1）结构4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。符号：当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。②漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）（a）uds=0时，id=0。（b）uds↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。（3）特性曲线四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。①输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区（截止区）。（d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。2.N沟道耗尽型MOSFET特点：当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：夹断电压（UP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线输出特性曲线转移特性曲线1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUP3、P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。4.MOS管的主要参数（1）开启电压UT（2）夹断电压UP（3）跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const（4）直流输入电阻RGS——栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达109～1015。本章小结1．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。3．二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4．BJT是由两个PN结构成的。工作时，有两种载流子参与导电，称为双极性晶体管。BJT是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。6．FET分为JFET和MOSFET两种。工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性晶体管。FET是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。FET的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。