模拟电路第一章 常用半导体器件文档格式.docx

1、式中：k（玻尔兹曼常数）= 8.63105 eV /Kni、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4.961022 cm3）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2.2105 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

2、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 （pp

3、+ nn ） E E式中，p、n分别为空穴和电子的浓度；q是电子电荷量；p 、n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

4、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

5、于轻掺杂的PN结中，击穿电压较高（4V6V）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1.3 PN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

6、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

7、 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 ER2、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f M。每一型号的二极管，在技术手册中总是以

8、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（22.5）mV。4、几种特殊的二极管（1）硅稳压二极管 符号、伏安特性如图1.5所示。 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V。（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

9、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

10、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 =IB +ICEO （14）ICEO = （1+） ICBO3、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vCE1V后，曲线几

11、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VI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。 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。 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。 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。 击穿区：随着v

12、CE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；共射极直流电流放大系数；极间反向电流ICBO、ICEO。共基极交流电流放大系数；共射极交流电流放大系数；共基极截止频率f0；共射极截止频率f；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

13、所有参数几乎都有影响，但受影响最大的是、ICBO、VBE。温度每升高1oC，值增大0.5%1%；温度每升高1oC，VBE减小（22.5）mV；温度每升高10oC，ICBO约增大一倍，即ICBO（T2） = ICBO（T1）2（T2T1）/105、电路模型（1）放大状态下三极管的模型 数学模型iCIS（evBE/VT1） （15）其中IS =IEBS，IS是指发射极反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值。 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。 交流小信号电路模型如图1.13所示。图中，= gmrbe （17）gmICQ / VT （18）rce=VA /

14、 ICQ （19）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，n为

15、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/（ IDQ） （114）式中， =1/VA称为沟道长度调制系数，通常= （0.0050.03）V1。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 饱和漏极电流IDSS：IDSS指对应于VGS=0时的漏极电流。 夹断电压VGS

16、（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。 开启电压VGS（th）：当VGSVGS（th）时，管子才形成导电沟道。该参数仅适用于增强型MOSFET。 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1081012之间；对MOSFET，RGS在10101015之间。（2）极限参数 栅源击穿电压V（BR）GSO 漏源击穿电压V（BR）DSO 最大耗散功率PDM PDM = IDVDS（3）交流参数 低频跨导gmgm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

17、转移特性或输出特性中求得（见式（112）及式（113）。 输出电阻rdsrds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：VGSVGS（th）（或VGSVGS（off）P沟道管：VGSVGS（th）（或VGSVGS（off）（2）非饱和区（可变电阻区）与饱和区（放大区）的判断若VDSVGSVGS（th），则场效应管工作在饱和区；若VDSVGSVGS（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B

18、JTFET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=20100gm=15mA/V输入电阻1021041071014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51015cm3的受主杂质，试指出T =300 K时所形成的杂质半导体类型。若再掺入浓度为1016cm3的施主杂质，则将为何种类型的半导体？若将该半导体温

19、度分别上升至T =500 K、600 K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NdNa，故形成N型半导体。且多子n0 = NdNa=51015cm3（3） T =500 K时，ni =AT3/2eEg0/2kT =3.491014cm3n0 ，故仍为N型半导体；T =600 K时，ni =AT3/2eEg0/2kT =4.741015cm3n0 ，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=1016cm3，Nd=1.51017cm3，试求温度在2

20、7oC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 =1.51010cm3，则（2） T =100oC时，ni =1.91012cm3，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108A，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/VT1）进行计算。当V为0.2V、0.36V及0.4V时，I分别为21.91A、10.3mA及.48mA。由计算结

21、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21012A和21015A，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/VT1）可得： 由此可计算出：当IS =21012A时，VD（on） = 461mV；1015A时，VD（on） = 640mV。由于VD（on）2VD（on）1 = V Tln （I2/I1），故当I2/ I1=10时，VD（on）增加VTln1060mV。【1-5

22、】已知IS（27oC）=109A，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（T2T1）/10。因此可算得；IS（10oC）= 1092（1027）/10 = 77（pA）IS（47oC）= 1092（4727）/10 = 4（nA）IS（60oC）= 1092（6027）/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

23、】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 （17）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（12）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

24、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V0，则二极管导通；若V0，则二极管截止。图（a）中，假设D断开，则V =V1V2 =612 = 18V0，所以D截止。故得：VAO = V2 =12V。图（b）中，假设D断开，则V =V1V2 =1512 = 3V0，所以D导通。

25、VAO = V1=15V。图（c）中，假设D1、D2均断开，则VD1 = 0V2 = 0（12）= 12V0，VD2 = V1V2 =15（12）= 3V0，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=6sint V，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viV2 =5 V时，D1因反偏而截止，D2因正偏而导通，vo=V2 =5 V；当viV1 =2 V时，D1因正偏而导通，D2因反偏而截止，v