模拟电子线路

1、 模拟电子技术第一章编写：梁炯名欢迎指导 【内容摘要】半导体器件是电子线路的核心，因其具有体积小，重量轻，使用寿命长，耗电少，工作可靠等优点而被广泛应用。第1章 半导体基础知识1.1 半导体的特点自然界中的各种物质，按导电能力可以划分为导体，绝缘体和半导体三大类。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。（1） 半导体对温度敏感 当温度升高时，半导体的导电能力增强。利用半导体的热敏性可以制作成各种热敏元件，用来检测温度的变化。（2） 半导体对光照敏感 有些半导体被光照后其导电能力增强。利用光敏性可以制作成光敏二极管，光敏电阻等光敏元器件。（3） 半导体具有掺杂性 如果在纯净的半导体内参入某种微量元素

2、后，其导电能力可能增加几十万倍至几百万倍。利用这种掺杂性可以制作成二极管，晶体管和场效应晶体管等半导元器件。1.2 本证半导体纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质、结构完整的半导体。1.2.1 本征半导体的晶体结构 常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构如图1-1（a）和（b）所示。图 1-1 硅和锗的原子结构模型(a) 硅； (b) 锗； (c) 原子简化模型 硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。 硅和锗的单晶体即为本征半导体。图 1-2 硅和锗晶体共价键结构示意图 1.

3、2.2 两种载流子 自由电子又叫电子载流子，空穴又叫空穴载流子，统称载流子。因此半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电，分别形成电子流和空穴流，这是导体区别于半导体的重要特征。在常温下本征半导体的载流子浓度很低，导电能力很弱。1.2.3 杂质半导体利用半导体的掺杂特性，如果在本征半导体中掺入少量的其他元素，可以使本征半导体的导电性能发生显著的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。（1） N型半导体在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、锑等，使原来晶格中的某些硅原子被杂质原子所取代，便构成N型半导体。自由电子：多数载

4、流子(多子)空 穴：少数载流子(少子)图 1-3 P型半导体结构示意图 （2） P型半导体在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。在P型半导体中，由于掺入的是三价杂质元素， 使空穴浓度远大于自由电子浓度。空 穴：多数载流子(多子)自由电子：少数载流子(少子) 图 1-4 P型半导体结构示意图 必须指出：首先，杂质离子虽然带电荷，但不能移动，因此它不是载流子；此次不论N型半导体还是P型半导体都呈电中性，即对外不显电性。1.3 PN结形成与特性1.3.1 PN结的形成采用特定的制造工艺，在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体。由于N型和P型半导体交界面两

5、侧的两种载流子浓度有很大的差异，因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区运动，这种运动称扩散，P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。如图1-5 所示1.3.2 PN结的单向导电性加在PN结上的电压称为偏置电压，若在P区接电源正极，N区接电源负极，称为PN结正向偏置，简称正偏；反之，称为PN结反向偏置，简称反偏。（1） PN结正向偏置时，结电阻很小，回路中产生一个较大的正向电流， PN结呈导通状态；（2） PN结反向偏置时，结电阻很大， 回路中的反向电流很小，几乎接近于零，PN结呈截止状态。所以，PN结具有单向导电性。1.4 半导体二极管1.

6、4.1 结构把PN结两端各引出一根引线，用外壳封装后就构成二极管。P区引出的电极称正极或阳极，N区引出的电极称负极或者阴极。1.4.2 二极管的伏安特性二极管的基本结构就是一个PN结，因此二极管具有和PN结相同的特性。 但是，由于管子存在电中性区的体电阻和引线电阻等，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流，大电流时更为明显。 当外加反向电压时，由于二极管表面漏电流的存在，使反向电流增大。 尽管如此，一般情况下仍用PN结的伏安特性方程式来描述二极管的电压和电流关系。1.4.3 二极管的主要参数(1) 最大整流电流IF：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。最大反向工

7、作电压UR ：当二极管的反向电压超过最大反向工作电压UR时，管子可能会因反向击穿而损坏。 通常：UR为二极管反向击穿电压U(BR)的一半。 反向电流IR ：管子未击穿时的反向电流。 此值越小，二极管的单向导电性越好，随着温度的增加，反向电流会急剧增加，使用时要注意温度的影响。(4) 最高工作频率fM ：它是指二极管正常工作时的上限频率。 超过此值，由于二极管结电容的作用，二极管的单向导电性将遭到破坏。1.4.4 稳压二极管 稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。 （1）稳压管的伏安特性 反向击穿状态下，管子两端电压变化很小，具有近似恒压功能，即稳

8、压。但要注意限制流过的电流。限流电阻！（2）在使用稳压管组成稳压电路时，应使外加电源的正极接管子的N区，负极接管子的P区，保证稳压管工作在反向击穿区。 由图可见，稳压管并联在负载RL的两端，以使负载两端电压在Ui和RL变化时保持稳定。 此外，为了保证稳压管正常工作时的反向电流在IZminIZmax之间，在电路中串联一个限流电阻R，只有当R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。 图稳压管稳压电路1.5 半导体三极管1.5.1 三极管的结构从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，但发射极和集电极不能互换。因为实际上：发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其

9、厚度一般在几个微米至几十个微米。1.5.2 三极管的工作原理1 三极管的PN结偏置 为使三极管正常工作，必须给三极管的两个PN结加上合适的直流电压，或者说，两个PN结必须有合适的偏置。 每个PN结可有两种偏置方式（正偏和反偏），所以两个PN结共有四种偏置方式，从而导致三极管有四种不同的工作状态。发射结偏置方式 集电结偏置方式 三极管的工作状态 正偏 反偏 放大状态 正偏 正偏 饱和状态 反偏 反偏 截止状态 反偏 正偏 倒置状态 2. 三极管常作为放大器件使用，因此三极管除具有放大作用的内部结构条件外，还必须有实现放大的外部条件，即：保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。实现发射结正偏、集电结反

10、偏，三个电极的电位关系是： NPN管：UC>UB>UE； PNP管：UC<UB<UE。3 三种组态双极型三极管有三个电极，用作双端网络时，任何一个都可以作为输入和输出端的公共电极。因此有三种接法也称三种组态，见下图。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共 基 极接法，基 极作为公共电极，用CB表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。4. . 三极管的电流放大作用 三极管工作在放大状态时，由于其内部结构的特点，即发射区掺杂浓度高、基区薄、集电结面积大，使发射区扩散到基区的大量电子，只有很小的一部分在基区复合形成很小的基极电流IB，大部分越过基区流向集

11、电区，形成集电极电流IC。 管子做成后，IC和IB的比例基本上保持一定。所以IC的大小不但取决于IB，而且远大于IB。 因此只要能控制基极的小电流IB，就可实现对大的集电极电流IC的控制。 所谓三极管的电流放大作用，就是指这种对电流的控制能力，故常把三极管称为电流控制器件。图中：在输入电压ui作用下，三极管的基极电流将在直流电流IB 的基础上叠加一个动态电流IB， 集电极电流也会在直流电流IC的基础上叠加一个动态电流IC 。IC与IB之比称为共射交流电流放大系数，记作，即 5. 三极管的特性曲线输入特性曲线 iB = f (uBE)½ uCE=const 输出特性曲线 iC = f

12、(uCE)½ iB=const 所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，uBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，uCE是输出电压，从C、E两电极取出。 （1）共发射极接法的输入特性曲线 UCE=0V的曲线：即CE极短路，相当于发射结和集电结并联，输入特性与PN结正向特性类似。 UCE1V时： UCB= UCE-UBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。 UCE再增加时：曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。（2）输出特性曲线当UCE=0V时：因集电极无收集作用，iC=0。当UCE稍增大时：发射结虽处于正向电压之下，但集电结反 偏电压很小，如：UCE< 1 V UBE=0.7 V UCB= UCE- UBE <0.7 V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由UCE决定。 共发射极接法输出特性曲线输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区 iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的数值较小，一般uCE0.7V(硅管)。此时：发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。输出呈低阻态，相当于开关闭合。截止区 iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时：发射结反偏，集电结反偏。 输出呈高阻态