模拟电子技术（一）半导体二极管和三极管
（一）常用半導體器件
- 半導體基礎知識
- 半導體材料
- PN結
- 半導體二極管
- 二極管結構
- 伏安特性
- 主要參數
- 等效模型
- 穩壓二極管
- 晶體三極管（BJT）
- 晶體管結構（以NPN為例）
- 電流放大（以NPN為例）
- 放大原理
- 共射特性曲線
- 主要參數
- 溫度影響
- 場效應管（FET）
- 絕緣柵型場效應管（MOS）
- N溝道增強型MOS管
- N溝道耗盡型MOS管
- 結型場效應管（JFET）
- N溝道結型場效應管
- 主要參數
- 場效應管 VS 晶體管
半導體基礎知識
半導體材料
- 導電性能介于導體與絕緣體之間的物質
- 常用材料：四價元素(硅Si、鍺Ge)
| 本征半導體 | 純凈的（無雜質）晶體結構的（結構穩定）半導體 | 導電性能差，難以控制 |
| 雜質半導體 | N型半導體：摻入磷P(+5)多數載流子為自由電子（negative負電） P型半導體：摻入硼B(+3)多數載流子為“空穴”（positive正電） | 導電性能可控 |
- 晶體結構：原子核的最外層電子形成共價鍵的穩定結構
- 空穴：共價鍵上的電子由于熱運動離開而產生的
- 本征激發：當半導體的溫度T>0K時，由于熱運動，有電子自由，同時產生空穴的過程
- 復合：由于碰撞，自由電子填補了空穴，使兩者同時消失
- 載流子（空穴、自由電子）濃度：與溫度有關
- 溫度對少數載流子影響大（即少子對溫度更敏感），因為多數載流子已經足夠多
PN結
- 擴散運動（多子的運動）：空穴P—>N 自由電子N—>P （濃度高—>濃度低）
- 空間電場的產生：靠近接觸面載流子（空穴、自由電子）濃度都降低，兩端載流子濃度高。因此在界面附近的結區中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子,稱為空間電荷區
- PN結：空間電荷區；耗盡層；阻擋層
- 漂移運動（電場作用產生的、少子的運動）：阻止擴散運動進行，使空穴N—>P 自由電子P—>N
- PN結形成：參與“擴散運動”和“漂移運動”的載流子數目相同，達到動態平衡
-
PN結特性：正偏導通；反偏截止
- 正偏：加正向電壓，正極接P，負極接N
-
PN結電流方程
-
PN結伏安特性
- 正向特性：死區；導通電壓（與材料本身有關）
- 反向特性：反向飽和電流；反向擊穿（很大電流變化范圍內電壓不變，可制成穩壓二極管）
- 反向擊穿（參雜濃度不同，擊穿類型不同）：
- 雪崩擊穿：參雜濃度低，少數載流子加速。溫度越高，所需擊穿電壓越高
- 齊納擊穿：參雜濃度高，拉出價電子。溫度越高，所需擊穿電壓越低
分析
- 加正向電壓：外電場削弱內電場（勢壘降低）—擴散運動加劇—擴散電流—電流很大—導通
- 加反向電壓：內外電場方向一致—漂移運動加劇—漂移電流—但為少數載流子運動，電流極小—近似認為截止
-
等效為電容：儲存的電荷量隨外加電壓變化
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PN結電容效應：空間電荷區的電荷積累和釋放——類似電容充放電
- Cb勢壘電容（加反向電壓）：內外電場一致，空間電荷區寬度變厚
- Cd擴散電容（加正向電壓）：非平衡少子分別分布在耗盡層兩側
-
結電容：Cj = Cb + Cd
若PN結外加電壓頻率高到一定程度，則是去單向導電性
結電容不是常量，和外部參數(外界電壓)與內部結構(PN結截面積)有關 -
半導體導電性能與溫度有關：分子熱運動與溫度有關
-
半導體器件的溫度穩定性差：易受溫度影響
-
少數載流子對溫度穩定性影響大
半導體二極管
二極管結構
- 點接觸型：結面積小——Cj小——允許通過電流小——最高工作頻率高
- 面接觸型：結面積大——Cj大——允許通過電流大——最高工作頻率低
- 平面型：結面積可小可大（S小，工作頻率高；S大，允許通過電流大）
伏安特性
- 伏安特性
二極管存在體電阻，所以電流比PN結小，而反向電流大
單向導電性——>可以整流（交流變直流）
-
電流方程
硅材料：開啟電壓≈0.5V；
導通電壓0.5~0.8V；
反向飽和電流1μA以下
-
溫度影響
T升高，正向左移，反向下移
室溫下，每升高1℃，正向壓降減小2~2.5mV；
每升高10℃，反向電流增大一倍
溫度升高，參與漂移運動的少數載流子數目增多，反向電流增大，擊穿電壓減小（更易被擊穿） -
二極管導通電壓不是常量
-
二極管損壞：
正向（正向電流過大溫升過高燒壞二極管）；
反向（反向電壓過大破壞PN結結構） -
溫度升高：正向特性左移；反向特性下移
主要參數
- PN結上有結電容，當頻率f很小時，容抗很大，相當于電容斷路。而當頻率f增大時，容抗小，二極管短路，破壞了二極管的單向導電性，所以要有上限。
等效模型
- 直流等效（靜態模型）
- 電壓值不同時求解回路電流
將電壓源電壓（V）與二極管導通電壓（UD=0.5~0.8V）進行比較
①若遠遠大于Uon，則 I ≈ V / R （忽略管壓降）
②若較大于Uon，則 I = （V - UD）/ R （管壓降不能忽略）
③若稍大于Uon，則 I 要通過實際測量伏安特性求解 （誤差最小）
-
交流等效（動態模型）
低頻小信號作用
-
既有直流電源，又有交流電源，求解電流總量
①直流模型求直流電流（ID）
②直流模型中，將二極管等效為動態電阻（rd）
③直流電源短路，交流模型求交流電流（id）
④電流總量（iD） = 直流電流（ID） + 交流電流（id）
穩壓二極管
很大電流變化范圍內，電壓變化不大
- 主要參數
| 穩定電壓Uz | 規定電流下的反向擊穿電壓 |
| 穩定點流Iz | 穩壓狀態時的參考電流，即IZmin |
| 額定功耗PZM | 穩定電壓與最大穩定電流的乘積 |
| 動態電阻rZ | |
| 溫度系數α |
- 穩壓的實現需要限流電阻存在。
反向電流小于IZmin時不穩壓，大于IZmax時會因超過額定功耗而損壞，所以引入限流電阻
（反向電壓下）當電源電壓上升時，穩壓二極管兩端電壓有上升趨勢，根據伏安特性曲線，當穩壓管電壓上升一點點，其電流都會大大上升，并且限流電阻的電流也會增大，限流電阻壓降必然增大。限流電阻壓降的增大，可以抵消電源電壓的部分上升，使得穩壓管兩端僅用上升一點點電壓就可以達到穩定的作用。
晶體三極管（BJT）
雙極結型晶體管 Bipolar Junction Transistor (雙極：兩種載流子導電）
晶體管結構（以NPN為例）
- 三個極（emitter、base、collector）、三個區、兩個PN結
- 箭頭指向（P—>N）
電流放大（以NPN為例）
現象：Ic / Ib是一個固定值
放大實質：放大一定需要外部支持的電源，三極管僅起到一個控制作用，控制了電源的功率
- 基本放射放大電路
- Rb：限流電阻
- 內部放大條件：發射區參雜濃度高，基區薄且參雜濃度低，集電結面積大
- 放大條件：發射結正偏；集電結反偏
（UBE > Uon；UCB ≥ 0 即 UCE ≥ UBE） - 最左邊回路，由VBB到地，基極電位高于發射極（P—>N），看作正偏
- VCC兩節電池，VBB只有一節，所以集電極電位高于基極（N—>P），看作反偏
放大原理
- 晶體管內部載流子運動
- 發射結正偏：擴散運動加劇
- 集電結反偏：產生向下電場
- 電流形成
(注意：電流方向與電子運動方向相反，與空穴運動方向相同)
| 擴散運動 | 發射區大量電子發生擴散 | IEN |
| 復合運動 | 基在基區內空穴與少部分電子復合 | IBN |
| 漂移運動 | Vcc在CE間產生電場，瞬間收集發射區電子 | ICN |
| 空穴擴散 | 基區空穴擴散到發射區 | IEP 很小，可忽略 |
| 平衡少子漂移運動 | o—>open發射極開路，集電極的反向飽和電流i | ICBO |
| 穿透電流 | o—>open基極開路，Vcc作用下Ic依然存在，但值很小 | ICEO |
-
電流放大系數
根據 Ib、Ic 與 3個超大箭頭列KCL（可忽略IEP）
共射，輸入、輸出回路共用發射極
共基，輸入、輸出回路共用基極
KCL：IE = IB + IC
IE = IEN + IEP = ICN + IBN + IEP
IB = IBN + IEP - ICBO ≈ IBN - ICBO (IEP很小，可忽略)
IC = ICN + ICBO
β = ICN / IBN = (IC - ICBO) / (IB + ICBO)
IC = βIB + (1 + β) ICBO = βIB + ICEO -
交流放大系數 ≈ 直流放大系數
共射特性曲線
端口特性：電流與電壓之間的關系
-
輸入特性曲線——類似于PN結
- iB 受 Ube 變化而變化
- Uce右移，ce間電場增大，集電極猛吸電子
- 同Ube下，Uce越大，集電區吸的電子越多，去基區復合的電子變少，IBN下降，iB減小
- Ube再增大，Uce不變，因為電子吸完了
-
輸出特性曲線——三個工作區域
-
工作區域的判斷：
①得到各個極的電位
②比較各個極之間的點位高低
③判斷正偏？反偏？
④判斷工作區域
| 放大區 | 發射結正偏；集電結反偏 | iC = β iB |
| 截止區 | 發射結電壓小于Uon；集電結反偏 （類似雙結反偏） | IB = 0 iC ≈ 0 iC ≤ iCEO |
| 飽和區 | 發射結正偏；uCE很小可看作集電結正偏 （類似雙結正偏） | β IB＞ iCmax （由外電路規定的iC最大值） |
| 臨界飽和點 | UCE=UBE | C、B間電壓為0，UCB=0 |
主要參數
- 直流參數：
共射直流電流放大系數
共基直流電流放大系數
極間反向電流 ICBO、ICEO（一般選用此值盡量小的管子） - 交流參數
共射交流電流放大系數
共基交流電流放大系數
特征頻率 fT - 極限參數 為使晶體管安全工作而對其的限制
最大集電極耗散功率 PCM = iC * uCE = 常數
最大集電極電流 ICN
極間反向擊穿電壓
溫度影響
| 對 ICBO | T每升高10℃，ICBO增加一倍 |
| 對輸入特性 類似PN結 | T每升高1℃，uBE下降2~2.5mV 即Ube不變時，T升高，iB增大 |
| 對輸出特性 | T升高，β增大 |
場效應管（FET）
絕緣柵型場效應管（MOS）
- 四種類型：N/P溝道增強型管、N/P溝道耗盡型管
N溝道增強型MOS管
-
結構：三個極（s、g、d）、柵極g絕緣
-
B箭頭指的是由P—>N
-
工作原理：Uds = 0；Ugs > 0
形成的電場排斥P中空穴，吸引P中電子
電子連接兩個N型半導體，形成N溝道
-
ds間形成可用電壓控制的可變電阻器
溝道寬度受Ugs大小影響
溝道寬度又決定電阻大小 -
溝道類似ds間的電阻，則增加Uds，就能使ds間產生電流(iD)
-
Ugs > Ugs(th) 溝道形成，保持Ugs不變，令Uds > 0
-
此時反型層（溝道）的厚度取決于UGS和ds兩點電位
左邊厚度Ugs-Us，右邊Ugs-Ud，因為d點比s點電位高（高一個Uds），所以右邊薄 -
特性曲線
- 預夾斷
隨著Uds不斷加大，Ugs-Uds=Ugs(th) 如上圖（b）
預夾斷，電子通過的少，iD近似為恒流 - 可變電阻區
Ugs大，溝道寬，電阻就小，可變電阻區斜率大（即同Uds下，Ugs大的，電流大） - 恒流區
Ugs控制 iD，因為每一個Ugs對應一個確定的 iD
- 預夾斷
-
轉移特性曲線：Ugs 與 iD的關系
前提條件是“恒流區”，即要保證Uds足夠大
N溝道耗盡型MOS管
- 自身帶溝道
絕緣層處參入大量正離子，即使Ugs = 0，使MOS管本身帶有溝道
- Ugs > 0時，溝道變寬，電阻變小，iD增大
- Ugs<0時，溝道變窄，電阻變大，iD減小
- 夾斷電壓 Ugs(off)
Ugs從0減小到一定值時，溝道夾斷(反型層消失)，iD=0，此時的Ugs為夾斷電壓Ugs(off)
耗盡型MOS管，Ugs可以正，可以負。
而結型場效應管不能工作在Ugs > 0的情況下。
這是二者最大不同
結型場效應管（JFET）
- 兩種類型：N溝道、P溝道（下圖為N溝道管實際結構圖）
- 利用PN結形成夾斷，所以稱結型
N溝道結型場效應管
-
工作原理：Uds = 0；Ugs < 0
加反向電壓，PN結反偏，耗盡層變寬(陰影部分)，N型溝道變窄 -
為使N溝道結型場效應管正常工作，其Ugs必須小于0，大于0，則PN結導通，已不能作為結型場效應管使用了
-
特性曲線
主要參數
- 直流參數
開啟電壓UGS(th)
夾斷電壓UGS(off)
飽和漏極電流 IDSS
直流輸入電阻RGS(DC) - 交流參數
低頻跨導gm
極間電容 - 極限參數
最大漏極電流 IDM
擊穿電壓
最大耗散功率PDM
場效應管 VS 晶體管
| 工作方式 | UGS控制 iD 柵極基本不取電流 | 工作時基極需要輸入電流 | 輸入電阻高的電路可選用場效應管 信號源可以提供一定的電流時可選用晶體管 |
| 參與導電 | 只有多子 | 多子和少子(受溫度、輻射等影響大) | 場效應管的溫度穩定性好、抗輻射能力強 |
| 噪聲系數 | 很小 | 場效應管應用于低噪聲放大器的輸入級、高要求信噪比電路 | |
| 互換極 | s、d可互換 | e、c特殊需要才互換 | 晶體管互換后特性差異很大，倒置狀態應用于集成邏輯電路中 |
| 種類 | 多 | 組成電路時場效應管比晶體管能靈活 | |
| 優點 | 工藝簡單、耗電省、工作電源電壓范圍寬 | 場效應越來越多地應用于大規模和超大規模集成電路中 |
總結
以上是生活随笔為你收集整理的模拟电子技术（一）半导体二极管和三极管的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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