[模拟电子技术基础]第二章：常用半导体器件原理

2.1半导体物理基础

• 1.本征半导体

  • 纯净的单晶半导体。

• 2.本征激发

  • 吸收外界能量，本征半导体中一部分价电子脱离共价键舒服成为自由电子留下空穴。

• 3.复合

  • 自由电子填入空穴释放能量，消失一对载流子。

• 4.N型半导体和P型半导体

  • 在本征半导体中掺入五价元素的原子形成N型半导体。

  • 在本征半导体中掺杂三价元素的原子形成P型半导体。

• 5.半导体电流由漂移电流与扩散电流组成。

  • 漂移电流：在电场的作用下，自由电子逆着电场方向漂移，空穴顺着电场方向飘移。

  • 扩散电流：载流子由于浓度差从高浓度区向低浓度区扩散。

2.2PN结

• 正向偏置：使P区的电位高于N区的电位。耗尽区变窄

• 正向偏置导通，反向偏置阻断。

• PN结的击穿特性

  • 轻掺杂：雪崩击穿。

  • 重掺杂：齐纳击穿

• PN结电容

  • 势垒电容、扩散电容

2.3晶体二极管

• 1.二极管的结构与分类

  • 半导体二极管是由一个PN结加上管壳封装与相应的电极引线组成，P区引出的电极为阳极，N侧为阴极

  • 二极管的分类

    • 按材料不同，二极管可分为硅管和锗管；

    • 按用途不同，可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管等；

    • 按结构不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。

      • 点接触：适用于高频电路和小功率整流或开关元件

      • 面接触：适用于低频整流

      • 平面行：适用于脉冲数字电路做开关管

• 2.二极管的伏安特性

  • 伏安特性方程

    $$i=I_{\mathrm{S}} \left( \, e^{w / U_{\mathrm{T}}}-1 \, \right)$$

    

  • Is为反向饱和电流，UT≈26mV

  • U(on)：硅管≈0.6~0.7V,锗管=0.2~0.3V

  • 对温度敏感：温度升高，正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。

• 3.二极管的电阻

  • 直流电阻：直流电压÷直流电流

  • 交流电阻：

    $$r_{\mathrm{D}}=\Delta U / \Delta I$$ $$\frac{1} {r_{\mathrm{d}}}=\frac{\Delta i_{\mathrm{D}}} {\Delta u_{\mathrm{D}}} \approx \frac{I_{\mathrm{s}}} {U_{\mathrm{T}}} \cdot e^{\frac{u} {U_{\mathrm{T}}}} \approx \frac{I_{\mathrm{D}}} {U_{\mathrm{T}}}$$

• 4.二极管的近似伏安特性和简化电路模型

  • （a）理想二极管（b）交流电阻为0（c）一般二极管

    

• 5.稳压二极管

  • 稳压二极管在击穿状态下工作。

  • 工作电流IzIzIz可以在较大范围内调节而稳压电压UzUzUz几乎不变

    

  • 最大功率PmPmPm:超过此功率稳压管烧坏

    $$P_{ZM}=U_Z \cdot I_{Z_{max}}$$

2.4双极型晶体管

• 1.晶体管的结构

  • 是由两个PN结组成的元器件，分为PNP和NPN两种类型，它的三端分别称为发射极e、基极b和集电极c。

• 2.晶体管的电流放大作用

  • α为共基极交流电流放大倍数，β为共发射极交流放大倍数 $$I_{\mathrm{C}}=\alpha I_{\mathrm{E}} \,, \, \, \, I_{\mathrm{C}}=\beta I_{\mathrm{B}} \,, \, \, \, I_{\mathrm{E}}=I_{\mathrm{C}}+I_{\mathrm{B}}=( \, 1 \,+\beta\, ) \, I_{\mathrm{B}}$$

• 3.晶体管的伏安特性

  • 输出特性：（NPN）
    

  • 截止区：发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置

    $$u_{\mathrm{B E}} \leqslant U_{\mathrm{o n}} \quad且 \quad u_{\mathrm{C E}} > u_{\mathrm{B E}}$$

  • 放大区：发射结正向偏置且集电结反向偏置

    $$u_{\mathrm{B E}} > U_{on} \quad且 \quad u_{\mathrm{C E}} \geq u_{\mathrm{B E}}$$

  • 饱和区：发射结与集电结均为正向偏置

    $$u_{\mathrm{B E}} > U_{on} \quad且 \quad u_{\mathrm{C E}} < u_{\mathrm{B E}}$$

2.5场效应管

• 1.结型场效应管（JFET）

  • 漏极D、栅极G、源极S

  • 输出特性曲线（N沟道）:栅-源极电压为常量时，漏极电流与漏-源电压之间的函数关系。

    • 恒流区：|u(GS)|＜|UGS(off)|，|u(DG)|>|UGS(off)|

    • 可变电阻区：|u(GS)|＜|UGS(off)|，|u(DG)|<|UGS(off)|

    • 截止区：|u(GS)|>|UGS(off)|

  • 转移特性曲线：漏-源电压为常量时，漏极电流与栅-源电压之间的函数关系。

    

    $$i_{\mathrm{D}}=I_{\mathrm{D S S}} \left( 1-{\frac{u_{\mathrm{G S}}} {U_{\mathrm{C S \, ( \, o f f )}}}} \right)^{2}$$

    IDSS为UGS=0时产生预夹断时的ID，称为饱和漏极电流

• 2.绝缘栅场效应管(MOSFET)

  • 输出特性曲线（增强型）

    

    • 恒流区：|u(GS)|>|UGS(th)(开启电压)|，|u(DG)|<|UGS(th)|

    • 可变电阻区：|u(GS)|>|UGS(th)|，|u(DG)|>|UGS(th)|

    • 截止区：|u(GS)|<|UGS(th)|

  • 转移特性曲线

    

    $$i_{\mathrm{D}}=I_{\mathrm{D O}} \left( \frac{u_{\mathrm{C S}}} {U_{\mathrm{C S ( t h )}}}-1 \right)^{2}, \; \; I_{\mathrm{D O}}=i_{\mathrm{D}} \mid_{u_{\mathrm{C S}}=2 U_{\mathrm{C S ( t h )}}}$$

  • 低频跨导：

    $$\mathbf{g}_{\mathrm{m}}=\frac{\Delta i_{\mathrm{D}}} {\Delta u_{\mathrm{G S}}} \ \bigg|_{U_{\mathrm{D S}}=常数}$$

2.6晶体管和场效应管的低频交流小信号简化模型

• 1.晶体管的低频交流小信号模型

  

  

  UA为厄尔利电压，还需考虑rbb‘

• 2.场效应管的低频交流小信号模型

  

  $$r_{\mathrm{d s}}=\frac{\mathrm{d} u_{\mathrm{D S}}} {\mathrm{d} i_{\mathrm{D}}} \Bigg|_{Q} \approx\frac{U_{\mathrm{A}}} {I_{\mathrm{D Q}}}$$