模拟电路第一章 常用半导体器件文档格式.docx
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式中:
k(玻尔兹曼常数)=8.63×
10-5eV/K
ni、pi与T成指数关系,随温度升高而迅速增大。
室温下(T=300K即27oC),
ni的数值虽然很大,但它仅占原子密度(硅的原子密度为4.96×
1022cm-3)很小的百分数,故本征半导体的导电能力很弱(本征硅的电阻率约为2.2×
105Ω·
cm)。
2、杂质半导体
在本征半导体中,掺入一定量的杂质元素,就成为杂质半导体。
(1)N型半导体(电子型半导体)
在本征半导体(硅或锗)中掺入五价施主杂质(如磷、砷)而成。
其中多子是电
子,少子是空穴,还有不能自由移动(不参与导电)的正离子。
(2)P型半导体(空穴型半导体)
在本征半导体(硅或锗)中掺入三价受主杂质(如硼、铟)而成。
其中多子是空
穴,少子是电子,还有不能自由移动(不参与导电)的负离子。
(3)杂质半导体中,多子的浓度取决于掺杂的多少,其值几乎与温度无关;
且少量的掺杂便可导致载流子几个数量级的增加,故杂质半导体的导电能力显着增大。
而少子由本征激发产生,其浓度主要取决于温度,少子浓度具有温度敏感性。
(4)转型
在N型半导体中掺入比原有的五价杂质元素更多的三价杂质元素,可转型为P型;
在P型半导体中掺入足够的五价杂质元素,可转型为N型。
(5)半导体的两种导电机理——漂移和扩散
载流子在外电场作用下的定向运动称为漂移运动,所形成的电流称为漂移电流。
漂移电流的密度为:
Jt=Jpt+Jnt=q(pμp+nμn)E∝E
式中,p、n分别为空穴和电子的浓度;
q是电子电荷量;
μp、μn分别为空穴和电子的迁移率(迁移率影响半导体器件的工作频率);
E为外加电场强度。
因浓度差而引起的载流子的定向运动称为扩散运动,所形成的电流称为扩散电流。
电子和空穴的扩散电流密度分别为:
式中,Dn、Dp分别为电子和空穴的扩散系数;
dn(x)/dx、dp(x)/dx分别为电子和空穴的浓度梯度。
3、PN结
(1)PN结的形成
将一种杂质半导体(N型或P型)通过局部转型,使之分成N型和P型两个部分,在交界面处出现了载流子的浓度差,导致多子互相扩散,从而形成了PN结,其过程如下:
载流子浓度差→多子扩散→电中性被破坏→空间电荷区(内电场)→
阻碍多子扩散
利于少子漂移
如图1.2所示。
(2)PN结的单向导电性
正偏时,外电场削弱内电场,PN结变薄,势垒降低,利于多子扩散,不利于少子漂移,由多子扩散形成的大的正向电流。
PN结呈现低阻,处于正向导通状态。
反偏时,外电场增强内电场,PN结变厚,势垒提高,不利于多子扩散,但利于少子漂移,由少子漂移形成很小的反向电流。
PN结呈现高阻,处于反向截止状态。
(3)PN结的击穿特性
当加在PN结上的反偏压超过一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为击穿。
按击穿机理的不同,击穿可分为齐纳击穿和雪崩击穿两种。
齐纳击穿发生于重掺杂的PN结中,击穿电压较低(<4V)且具有负的温度系数;
雪崩击穿发生于轻掺杂的PN结中,击穿电压较高(4V~6V)且具有正的温度系数。
当PN结击穿后,若降低反偏压,PN结仍可恢复,这种击穿称为电击穿。
电击穿是可以利用的,稳压二极管便是根据这一原理制成的。
当PN结击穿后,若继续增大反偏压,会使PN结因过热而损坏,这种击穿称为热击穿。
热击穿是要力求避免的。
(4)PN结的伏安特性
如图1.3所示。
IS─PN结的反向饱和电流;
VT─温度的电压当量(热电压)。
室温下,VT≈26mV
图1.3PN结的伏安特性
(5)PN结的电容效应
PN结电容Cj由势垒电容CT和扩散电容CD组成(Cj=CT+CD)。
正偏时扩散电容为主;
反偏时势垒电容为主。
利用势垒电容效应可制成变容二极管。
晶体二极管是由一个PN结,再加上电极、引线封装而成,简称二极管。
1、二极管的结构、类型、符号
表1.1示出了二极管的分类及用途。
表1.1
分类方法
主要类型
制作工艺
合金型二极管;
扩散型二极管;
合金扩散型二极管;
平面型二极管;
外延型二极管
结构形态
点接触二极管;
面接触二极管;
台面二极管;
肖特基势垒二极管;
PIN二极管;
体效应二极管;
双基极二极管;
双向二极管
应
用
范
围
普通应用
检波二极管;
整流二极管;
稳压二极管;
开关二极管;
恒流二极管
光电应用
光电二极管;
太阳能电池;
发光二极管;
激光二极管
微波应用
变容二极管;
阶跃恢复二极管;
崩越二极管;
隧道二极管;
体效应二极管
敏感应用
温敏二极管;
磁敏二极管;
力敏二极管;
气敏二极管;
湿敏二极管;
光敏二极管
其中,点接触型和平面型二极管是常用的两种。
前者结面积小,结电容小,适用于高频、小电流的场合,如检波电路;
后者的形式较多,有结面积大的,因此结电容也大,适用于低频、大电流的场合,如整流电路。
二极管的符号如图1.4所示。
图1.4二极管的符号
ER
2、二极管的伏安特性
二极管的伏安特性与PN结的伏安特性基本相同。
3、二极管的主要电参数
(1)直流参数
最大整流电流IF;
正向压降VDF;
反向电流IR;
反向击穿电压VBR;
直流电阻RD。
(2)交流参数
交流电阻rd;
结电容Cj;
最高工作频率fM。
每一型号的二极管,在技术手册中总是以极值给出上述参数。
(3)温度对二极管参数的影响
温度每升高10oC,IR增大一倍;
温度每升高1oC,VDF减小(2~2.5)mV。
4、几种特殊的二极管
(1)硅稳压二极管
①符号、伏安特性
如图1.5所示。
②主要参数
稳定电压VZ;
稳定电流IZ;
动态电阻rZ;
最大稳定电流IZM;
耗散功率PZM及VZ的温度系数αV。
(2)变容二极管
变容二极管是应用十分广泛的一种半导体器件。
例如,谐振回路的电调谐;
压控振荡器;
频率调制;
参量电路等。
其符号如图1.6所示。
(3)发光二极管(LED)
光二极管是将电能转换为光能的一种半导体器件。
广泛用来构成七段数字显示器。
其符号如图1.7所示。
(4)光敏二极管
光敏二极管是将光能转换为电能的一种半导体器件。
其符号如图1.8所示。
(5)光电耦合器
光电耦合器是由发光器件和光敏器件组成的一种器件。
它是用光传输信号的电隔离器件,应用十分广泛。
如图1.9所示。
1.1.3晶体三极管(BJT)
晶体三极管也称为双极型晶体管,简称晶体管或三极管。
1、结构、符号、分类
(1)结构、符号
三极管有三个区——发射区、基区、集电区;
三根电极——发射极E、基极B、集电极C;
两个结——发射结Je、集电结Jc。
其结构示意图及相应的符号如图1.10所示。
(a)NPN型三极管(b)PNP型三极管
图1.10三极管的结构及符号
结构特点:
发射区重掺杂;
基区很薄;
集电区轻掺杂且集电结面积大。
这正是三极管具有放大作用的内部物质基础。
(2)分类
按结构不同可分为NPN型和PNP型;
按材料不同可分为硅管和锗管;
按照工作频率分可分为高频管、低频管等;
按照功率分,可分为大、中、小功率管等。
其封装形式有金属封装、玻璃封装和塑料封装等。
2、放大作用和电流分配关系
(1)直流偏置条件——Je正偏、Jc反偏。
这是三极管实现放大所需要的外部条件。
(2)直流电流分配关系
IE=IC+IB
IC=βIB+ICEO(1—4)
ICEO=(1+β)ICBO
3、伏安特性曲线
(1)共射输入特性曲线iB=f(vBE)vCE一定
如图1.11(a)所示。
vCE从零增大到约1V,曲线逐渐右移(基区宽度调制效应);
当vCE>1V后,曲线几乎不再移动。
因此,在工程分析时,近似认为输入特性曲线是一条不随vCE而移动的曲线。
图1.11三极管的V—I特性曲线
(2)共射输出特性曲线iC=f(vCE)iB一定
如图1.11(b)所示。
整个曲线族可划分为四个区域。
①放大区:
Je正偏、Jc反偏。
iC主要受iB的控制,由于基区宽度调制效应的影响,当iB一定,而vCE增大时,iC略有增加。
曲线上翘的程度与厄尔利电压VA的大小有关。
②截止区:
Je、Jc均反偏。
iB=-ICBO的那条曲线与横轴间的区域。
iB≈0,iC≈0。
③饱和区:
Je、Jc均正偏。
对应于不同iB的输出特性曲线几乎重合,iC不受iB控制,只随vCE增大而增大。
④击穿区:
随着vCE增大,Jc的反偏压增大。
当vCE增大到一定值时,Jc反向击穿,造成iC剧增。
集电极反向击穿电压VBR(CEO)随iB的增大而减小。
4、主要参数
共基极直流电流放大系数α;
共射极直流电流放大系数β;
极间反向电流ICBO、
ICEO。
共基极交流电流放大系数α;
共射极交流电流放大系数β;
共基极截止频率f0;
共射极截止频率fβ;
特征频率fT。
(3)极限参数
集电极最大允许电流ICM;
集电极最大允许耗散功率PCM;
击穿电压VBR(CEO)、VBR(CBO)、VBR(EBO)。
通常将ICM、PCM、VBR(CEO)三个参数所限定的区域称为三极管的安全工作区。
(4)温度对三极管参数的影响
严格来讲,温度对三极管的所有参数几乎都有影响,但受影响最大的是β、ICBO、VBE。
温度每升高1oC,β值增大0.5%~1%;
温度每升高1oC,VBE减小(2~2.5)mV;
温度每升高10oC,ICBO约增大一倍,即ICBO(T2)=ICBO(T1)×
2(T2-T1)/10
5、电路模型
(1)放大状态下三极管的模型
①数学模型
iC≈IS(evBE/VT-1)(1—5)
其中IS=αIEBS,IS是指发射极反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值。
②直流简化电路模型
如图1.12所示。
图中,VBE(on)称为发射结导通电压。
③交流小信号电路模型
如图1.13所示。
图中,
β=gmrb′e(1—7)
gm≈ICQ/VT(1—8)
rce=│VA│/ICQ(1—9)
rbb′为基区体电阻,其值较小,约几十欧姆,常忽略不计。
(2)饱和与截止状态下三极管的模型
如图1.14所示。
图中,VCE(sat)称为称为三极管的饱和压降。
1.1.4场效应管(FET)
晶体场效应管又称为单极型晶体管,它是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件,具有输入阻抗高、温度稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、集成度高、成本低等特点,因此已成为当今集成电路的主流器件。
1、分类、符号、特性曲线
场效应管的分类及符号见图1.15所示。
各种场效应管的特性曲线如图1.16所示。
2、放大状态下场效应管的电路模型
(1)数学模型
对JFET和耗进型MOSFET:
对增强型MOSFET:
式中,μn为自由电子迁移率,COX为单位面积的栅极电容量,W/l称为沟道宽长比,它是场效应管的一项重要参数。
(2)直流简化电路模型
如图1.17所示。
图中,ID与VGS之间满足平方律
关系。
注意该图与图1.12(三极管的直流
简化电路模型)之间的区别。
图1.17
(3)交流小信号电路模型
如图1.18所示。
图中,gm称为低频跨导。
rds称为输出电阻rds=1/(λIDQ)(1—14)
式中,λ=-1/VA称为沟道长度调制系数,通常λ=(0.005~0.03)V-1。
注意图1.18图1.13(三极管的交流小信号电路模型)之间的区别。
3、主要参数
①饱和漏极电流IDSS:
IDSS指对应于VGS=0时的漏极电流。
②夹断电压VGS(off):
当栅源电压VGS=VGS(off)时,ID=0。
以上两参数仅适用于结型场效应管和耗进型MOSFET。
③开启电压VGS(th):
当VGS≥VGS(th)时,管子才形成导电沟道。
该参数仅适用于增强型MOSFET。
④直流输入电阻RGS:
指在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻。
对JFET,RGS在108~1012Ω之间;
对MOSFET,RGS在1010~1015Ω之间。
(2)极限参数
①栅源击穿电压V(BR)GSO
②漏源击穿电压V(BR)DSO
③最大耗散功率PDMPDM=IDVDS
(3)交流参数
①低频跨导gm
gm的大小反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制能力。
gm可以从转移特性或输出特性中求得(见式(1—12)及式(1—13))。
②输出电阻rds
rds说明了vDS对iD的影响,在饱和区(放大区),iD随vDS的改变很小,故rds很大(几十千欧~几兆欧)。
4、场效应管工作状态的判断
(1)截止状态的判断
截止条件:
N沟道管:
VGS<VGS(th)(或VGS<VGS(off))
P沟道管:
VGS≥VGS(th)(或VGS≥VGS(off))
(2)非饱和区(可变电阻区)与饱和区(放大区)的判断
若│VDS│≥│VGS-VGS(th)│,则场效应管工作在饱和区;
若│VDS│<│VGS-VGS(th)│,则场效应管工作在非饱和区。
5、场效应管与三极管的比较
场效应管与三极管的区别见表1.2所示。
表1.2
项
较
件
类
型
目
比
器
BJT
FET
载流子
两种不同极性的载流子(电子与空穴)同时参与导电,
故称为双极型晶体管
只有一种极性的载流子(电子或空穴)参与导电,故称为单极型晶体管
控制方式
电流控制
电压控制
类型
NPN和PNP型两种
N沟道P沟道两种
放大参数
β=20~100
gm=1~5mA/V
输入电阻
102~104Ω
107~1014Ω
输出电阻
rce很高
rds很高
热稳定性
差
好
制造工艺
较复杂
简单,成本低
对应电极
基极—栅极,发射极—源极,集电极—漏极
1.3典型习题详解
【1-1】在本征硅半导体中,掺入浓度为5×
1015cm-3的受主杂质,试指出T=300K时所形成的杂质半导体类型。
若再掺入浓度为1016cm-3的施主杂质,则将为何种类型的半导体?
若将该半导体温度分别上升至T=500K、600K时,试分析为何种类型半导体?
【解】本题用来熟悉:
(1)杂质半导体的类型;
(2)杂质半导体的转型问题。
(1)在本征半导体中掺入受主杂质,形成P型半导体。
(2)由于Nd>Na,故形成N型半导体。
且多子n0=Nd-Na=5×
1015cm-3
(3)T=500K时,ni=AT3/2e-Eg0/2kT=3.49×
1014cm-3<n0,故仍为N型半导体;
T=600K时,ni=AT3/2e-Eg0/2kT=4.74×
1015cm-3≈n0,因而变为本征半导体。
【1-2】已知硅PN结两侧的杂质浓度分别为Na=1016cm-3,Nd=1.5×
1017cm-3,试求温度在27oC和100oC时的内建电位差VB,并进行比较。
PN结的内建电位差与温度的关系。
(1)T=27oC时,ni=1.5×
1010cm-3,则
(2)T=100oC时,ni=1.9×
1012cm-3,则
可见,PN结的内建电位差VB随温度的升高而减小。
【1-3】已知锗PN结的反向饱和电流为10-8A,当外加电压V为0.2V、0.36V及0.4V时,试求室温下流过PN结的电流I?
由计算结果说明PN结伏安特性的特点。
(1)PN结电流方程;
(2)PN结伏安特性的特点。
利用公式I=IS(eV/VT-1)进行计算。
当V为0.2V、0.36V及0.4V时,I分别为21.91μA、10.3mA及.48mA。
由计算结果可知,当外加电压V大于锗PN结的导通电压(0.2V)后,电压V的微小增加会引起电流I的显着增大。
【1-4】两个硅二极管在室温时的反向饱和电流分别为2×
10-12A和2×
10-15A,若定义二极管电流I=0.1mA时所需施加的电压为导通电压,试求两管的VD(on)。
若I增加10倍,试问VD(on)增加多少伏。
【解】由公式I=IS(eV/VT-1)可得:
由此可计算出:
当IS=2×
10-12A时,VD(on)=461mV;
10-15A时,VD(on)=640mV。
由于VD(on)2-VD(on)1=VTln(I2/I1),故当I2/I1=10时,VD(on)增加VTln10≈60mV。
【1-5】已知IS(27oC)=10-9A,试求温度为-10oC、47oC和60oC时的IS值。
【解】本题用来熟悉PN结的反向饱和电流IS受温度影响的问题。
温度每升高10oC,IS约增加一倍。
即IS(T2)=IS(T1)×
2(T2-T1)/10。
因此可算得;
IS(-10oC)=10-9×
2(-10-27)/10=77(pA)
IS(47oC)=10-9×
2(47-27)/10=4(nA)
IS(60oC)=10-9×
2(60-27)/10=9.85(nA)
【1-6】二极管是非线性元件,它的直流电阻和交流电阻有何区别?
用万用表欧姆挡测量的二极管电阻属于哪一种?
为什么用万用表欧姆挡的不同量程测出的二极管阻值也不同?
【解】本题用来熟悉二极管的直流电阻和交流电阻的概念。
二极管的直流电阻RD是指二极管两端所加直流电压与流过它的直流电流之比,
即:
RD=VD/ID(1—7)
二极管的直流电阻RD随Q点(静态
工作点)的不同而不同。
如题图1.1所示。
二极管的交流电阻rd是指在Q点附近
电压变化量△VD与电流变化量△ID之比,即:
rd=△VD/△ID,也就是曲线在Q点处切线斜率
的倒数。
根据式(1—2)可求得:
IQ是Q点处的电流值,Q点不同,rd也不同。
IQ越大,曲线越陡,rd越小,反之亦然。
交流电阻是动态电阻,不能用万用表测量。
用万用表欧姆挡测出的正、反向电阻是二极管的直流电阻。
用欧姆档的不同量程去测量二极管的正向电阻,由于表的内阻不同,使测量时流过二极管的电流大小不同,即Q点的位置不同,故测出的RD值也不同。
【1-7】电路如题图1.2所示,设二极管为理想的,试判断图中各二极管是否导通,并求各电路的VAO值。
(1)理想二极管的特点;
(2)二极管电路的估算法。
求解此类题目的关键在于判断二极管是导通还是截止。
对于理想二极管,VD(on)=0,RD=0。
因此,若二极管阳极与阴极间电压V>0,则二极管导通;
若V<0,则二极管截止。
图(a)中,假设D断开,则V=V1-V2=―6―12=―18V<0,所以D截止。
故得:
VAO=V2=12V。
图(b)中,假设D断开,则V=V1-V2=15―12=3V>0,所以D导通。
VAO=V1=15V。
图(c)中,假设D1、D2均断开,则VD1=0-V2=0―(―12)=12V>0,VD2=V1-V2=―15―(―12)=―3V<0,所以D1导通,D2截止。
VAO=0V。
图(d)中,明显看出D1、D2均处于正偏状态,所以D1、D2均导通。
【1-8】题图1.3所示电路中的二极管为理想的,设vi=6sinωtV,试画出输出电压vo的波形。
题图1.3
(2)二极管限幅电路的分析方法。
二极管限幅电路分单向限幅和双向限幅两种,它利用二极管的单向导电性,将输出信号限制在一定的电平内输出。
分析此类题目的关键是判断二极管的工作状态。
通常将输入信号分段来讨论二极管的导通或截止。
图(a)为二极管双向限幅电路,上限幅电平为5V,下限幅电平为-2V。
当vi>V2=5V时,D1因反偏而截止,D2因正偏而导通,vo=V2=5V;
当vi<V1=-2V时,D1因正偏而导通,D2因反偏而截止,v