模拟电路第一章常用半导体器件.docx

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模拟电路第一章常用半导体器件

模拟电子线路

教、学指导与习题详解

杨凌

第1章常用半导体器件

1.1教学要求

1.1.1半导体物理基础知识

1、熟悉本征半导体、杂质半导体、施主杂质、受主杂质、多子、少子、漂移、扩散的概念；

2、熟悉PN结的形成机理和基本特性——单向导电性、击穿特性、电容效应。

1.1.2晶体二极管

1、了解二极管的结构、分类、符号、主要参数；

2、熟悉二极管的几种模型表示——数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合；

3、熟悉二极管电路的三种分析方法——图解法、简化分析法、小信号分析法。

能熟练运用简化分析法分析各种功能电路；

4、了解几种特殊二极管的性能。

1.1.3晶体三极管

1、了解三极管的结构、分类、符号、熟悉其主要参数及温度对参数的影响；

2、掌握三极管在放大状态下的电流分配关系；

3、熟悉三极管处在放大、饱和、截止三种工作状态下的条件及特点；

4、熟悉三极管的几种模型表示——数学模型、共射曲线模型、直流简化电路模型、小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合；

5、熟悉三极管放大电路的三种分析方法——图解法、估算法、小信号等效电路分析法。

能熟练运用估算法判断三极管的工作状态。

1.1.4场效应管

1、了解场效应管的工作原理，理解场效应管中预夹断的概念；

2、熟悉场效应管的几种模型表示——数学模型、曲线模型、直流简化电路模型、小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合；

3、熟悉放大状态下几种场效应管的外部工作条件；

4、熟悉场效应管与三极管之间的异同点；

1.2基本概念和内容要点

1.1.1半导体物理基础知识

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照或所掺杂质的不同而显着变化，特别是掺杂可以改变半导体的导电能力和导电类型，因而半导体广泛应用于各种器件及集成电路的制造。

1、本征半导体

（1）高度提纯、几乎不含任何杂质的半导体称为本征半导体。

硅（Si）和锗（Ge）是常用的半导体材料，均属四价元素，原子序号分别为14和32，它们的原子最外层均有四个价电子，与相邻四个原子的价电子组成共价键。

制造半导体器件的硅和锗材料被加工成单晶结构。

图1.1（a）、（b）分别是硅、锗原子的简化模型和它们的晶体结构平面示意图。

图1.1

（2）本征激发

共价键中的价电子受激发获得能量并摆脱共价键的束缚而成为“自由电子”（简称电子），并在原共价键的位置上留下一个“空位”（称空穴），这一过程称为本征激发。

热、光、电磁辐射等均可导致本征激发，但热激发是半导体材料中产生本征激发的主要因素。

本征激发产生成对的电子和空穴。

（3）复合

电子被共价键俘获，造成电子—空穴对消失，这一现象称为复合。

（4）载流子

电子和空穴均是能够自由移动的带电粒子，称为载流子。

可见，半导体中存在两种类型的载流子。

（5）热平衡载流子浓度

当温度一定时，半导体中本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。

该浓度值为：

ni=pi=AT3/2e－Eg0/2kT（1—1）

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：

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。

式中：

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

（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。

1.1.2晶体二极管

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；肖特基势垒二极管；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

（1）直流参数

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。

（2）交流参数

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。

（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。

对JFET和耗进型MOSFET：

对增强型MOSFET：

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）直流参数

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。

【解】本题用来熟悉：

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。

【解】本题用来熟悉：

（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；当IS=2×10－15A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。

【解】本题用来熟悉：

（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。

故得：

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。

故得：

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。

故得：

【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

【解】本题用来熟悉：

（1）理想二极管的特点；

（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，vo=V1=－2V；

当－2V≤vi≤5V时，D1、D2均因反偏而截止，vo=vi。

输出波形如下图（a）所示。

（a）（