《模拟电路》-第5章

5.1半导体基础5.1.1本征半导体什么是半征半导体？半导体高度提纯使之成为晶体，这种完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。它们都是四价元素，其最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，内部几乎没有自由电子，所以半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中形成共价键，共用一对价电子。下一页返回5.1半导体基础图5-1所示为本心，而4个其他原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间征半导体硅和锗晶体的共价键结构平面示意图，其中“+4”的圆圈表示除价电子外的正离子。形成共价键后，每个原子的最外层电子是8个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。5.1.2本征半导体的导电机理上一页下一页返回5.1半导体基础1．载流子、自由电子和空穴在绝对零度和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，因此本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），所以其导电能力为零，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。这样，若在本征半导体两端外加一电场，则一方面自由电子将产生定向移动，形成电子电流；上一页下一页返回5.1半导体基础另一方面由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次填补空穴，即空穴也产生定向移动，形成空穴电流。由于自由电子和空穴所带电荷极性不同，所以它们的运动方向相反。本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流两个电流之和。运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电；而本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。这就是半导体导电的特殊性质。在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。在温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多；反之，若环境温度降低，则载流子的浓度降低，因而导电性能变差。上一页下一页返回5.1半导体基础2．杂质半导体在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，即可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。（1）N型半导体在纯净的本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的五价元素，如磷（P），使半导体晶格点阵中的某些硅（或锗）原子被掺入的磷原子所取代，形成N型半导体。五价元素的4个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后，将多余一个价电子，如图5-2所示。这一多余的电子不受共价键的束缚，只需获得很少的能量，就能成为自由电子。自由电子导电成为N型半导体的主要导电方式，故又称为电子型半导体。上一页下一页返回5.1半导体基础N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称自由电子为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子）。在N型半导体中，多子（自由电子）的浓度越高，导电性能越好。（2）P型半导体在纯净的本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的三价元素，如硼（B），使杂质原子取代晶体中某些晶格上的硅（或锗）原子，三价元素的3个价电子与周围4个原子组成共价键时，缺少1个电子而产生了空位，，则在该价电子的原位上产生了1个空穴。这种空穴为多子、自由电子为少子的杂质半导体就称为P型半导同理，空穴的浓度越高，导电性能就越强。上一页下一页返回5.1半导体基础3．PN结采用特殊的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体放在同一块硅片上，交界上将形成PN结。PN结具有单向导电性。（1）PN结的形成在PN结中，P区的多子是空穴；N区的多子是自由电子。由于物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。在两块半导体交界处，同类载流子的差别极大，这种差别将P区浓度高的空穴向N区扩散，与此同时，N区浓度高的电子也向P区扩散。到一个动态的平衡，形成PN结。上一页下一页返回5.1半导体基础扩散运动的结果，使P型半导体的原子在交界处得到电子成为带负极的离子，N型半导体的原子在交界处失去电子成为带正电的离子，形成如图5-4所示的空间电荷区。空间电荷区随着电荷的积累，将建立起一个内电场E。该电场对半导体内多数载流子的扩散运动起阻碍的作用，但对少数载流子的运动起促进作用。少数载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动。在无外电场和其他因素的激励下，当参与扩散的多数载流子和参与漂移的少数载流子在数目上相等时，空间电荷区电荷的积累效应将停止，空间电荷区内电荷的数目达上相等时，空间电荷区电荷的积累效应将停止，空间电荷区内电荷的数目达到一个动态的平衡，形成PN结。。上一页下一页返回5.1半导体基础（2）PN结的单向导电特性处于平衡状态下的PN结没有实用价值。PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。①外加正向电压。在PN结外加正向直流电压，即P区接高电位（正电位），N区接低电（负电位），PN结形成正向电流。在一定范围内，正向电流随着外电场的增强而增大，此时的PN结呈现出低电阻值，PN结处于导通状态。PN结正向导通时的压降很小，理想情况下，可认为PN结正向导通时电阻为零，所以导通时的压降也为零，上一页下一页返回5.1半导体基础②外加反向电压。当P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位），PN结形成反向偏置（简称反偏）。如图5-6所示，处于反偏的PN结，外电场和内电场的方向相同。当PN结处在反向偏置时，PN结中P区的空穴和N区的电子由于外电场的作用都将背离空间电荷区，结果使空间电荷量增加，空间电荷区加宽，内电场加强，进一步阻碍多数载流子扩散运动的进行，但对少数载流子的漂流运动却有利，这就是PN结的反向电流。由于少子浓度很低，且在一定温度下浓度不变，所以反向电流不仅很小，而且即使增加外电压时，电流的大小也保持不变，故称为反向饱和电流。上一页下一页返回5.1半导体基础（3）PN结的电流方程根据半导体材料的理论可得，加在PN结上的端电压v与流过PN结的电流i之间的关系为令VT=kT/q，VT称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量VT≈26mV。将温度电压当量的表达式代入式（5-1）可得上一页返回5.2二极管5.2.1二极管的结构将PN结封装在塑料玻璃或金属外壳里，从P区引出一根引线作正极，从N区引出一根引线作负极，就形成了二极管。二极管用符号VD表示，常用的二极管外形。二极管的结构和图形符号如图5-9所示。5.2.2二极管的伏安特性用实验的方法，在二极管的阳极和阴极两端加上不同极性和不同数测量流过二极管的电流值，就可得到二极管的伏安特性曲线。下一页返回5.2二极管

1．正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。这个电压称为死区电压，如图5-11所示。死区电压：硅二极管为0.5V左右，锗二极管为0.1V左右。当正向电压超过死区电压后，二极管导通，电流与电压关系近似为指数关系，那么这个导通压降为：硅二极管为0.7V左右，锗二极管为0.3V左右。2．反向特性在二极管两端加反向电压，反向电流很小，当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压的增加而增大，即饱和。如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿，对应的电压称为反向击穿电压，如图5-12所示。上一页下一页返回5.2二极管

3．伏安特性表达式伏安特性表达式（二极管方程）为式中：IS为反向饱和电流；UT为温度的电压当量。4．温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10℃，反向电流增大一倍。可见，二极管的特性对温度很敏感。上一页下一页返回5.2二极管

5.2.3二极管的等效电路1．二极管的主要参数（1）最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长期工作时允许流过的正向平均电流的最大值。这是二极管的重要参数，使用中不允许超过此值。（2）反向工作峰值电压VR反向工作峰值电压是二极管允许外加反向电压的最大值。超过此峰值电压，二极管被击穿。上一页下一页返回5.2二极管

（3）反向电流IR反向电流是指二极管未击穿时的反向电流，即IR。IR越小，二极管的单向导电性越好。（4）最高工作频率fmax最高工作频率是指二极管工作时的上限频率。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。2．二极管的模型二极管的伏安特性是非线性的，这使得对二极管应用电路的分析困难重重。为了简化计算，常常使用线性元件来近似模拟二极管的特性。把能够模拟二极管特性的电路称为二极管等效模型。上一页下一页返回5.2二极管

二极管伏安特性曲线的等效模型如图5-13所示。（1）理想开关模型图5-13（a）所示的折线化安特性表明，二极管导通时的正向压降为零，截止时反向电流为零。其特点为：vD>0时，二极管导通；vD<0时，二极管截止。（2）恒压降模型图5-13（b）所示的折线化伏安特性表明，二极管导通时的正向压降为一个常量Von，对于硅管Von=0.7V，锗管Von=0.3V，截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源Von。上一页下一页返回5.2二极管

（3）折线模型图5-13（c）所示的折线化伏安特性表明，当二极管的正向电压v大于Von后，流过二极管的电流与电压成正比，比例系数为1/rVD，二极管截止时反向电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源Von和电阻rVD，且rVD=ΔV/ΔI。该模型也称为二极管微变等效电路模型。5.2.4稳压二极管稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现稳压特性。因而广泛用于稳压电源与限幅的电路中。上一页下一页返回5.2二极管

1．稳压管的伏安特性稳压管与二极管的外形相似，稳压管的特性曲线如图5-15（a）所示，常用的图形符号如图5-15（b）所示。稳压管在电路中用VDZ来表示。当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时击穿，击穿区的曲线反向电流不超过一定值，稳压管子就不会因过热而损坏。由稳压管的伏安曲线可见，稳压管的正向特性和普通二极管基本相同，但反向特性较陡。当反向电压较低时，反向电流几乎为零，此时稳压管仍处于截止的状态，不具有稳压的特性；当反向电压增大到击穿电压VZ时，反向电流IZ将急剧增加。击穿电压VZ为稳压管的工作电压，IZ为稳压管的工作电流。上一页下一页返回5.2二极管

从特性曲线还可见，当IZ在较大的范围内变化时，稳压管两端的电压VZ基本保持不变，显示出稳压的特性。使用时，只要IZ不超过稳压管的允许值，PN结就不会因过热而损坏，当外加反向电压去除后，稳压管内部的PN结又自动恢复原性能。稳压管工作于反向击穿状态，击穿电压从几伏到几十伏，反向电流也比一般的二极管大。能在反向击穿状态下正常工作而不损坏，是稳压管工作的特点。稳压管在电路中正确的连接方法。上一页下一页返回5.2二极管

2．稳压管的主要参数①稳定电压VZ：在规定电流下稳压管的反向击穿电压，一般为2.5～30V。②稳定电流IZ：不同型号的稳压管，都规定一个最大稳定电流，防止稳压管过流发生热击穿而损坏。③额定功率PZM：PZM等于稳压管的稳定电压VZ和稳定电流IZ的乘积。稳压管的功耗超过此值时，会因PN结温升过高而损坏。对于一只具体的稳压管，可以通过其额定功率的值来求出稳定电流。只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好。上一页下一页返回5.2二极管

④动态电阻rZ：rZ是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比，即rZ=ΔVZ/ΔIZ。rZ越小，电流变化时VZ的变化越小，即稳压管的稳压特性越好。对于不同型号的稳压管，rZ将不同，从几欧到几十欧。对于同一只稳压管，工作电流越大，rZ越小。⑤温度系数α：α表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即α=ΔVZ/ΔT。稳定电压小于4V的稳压管具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的稳压管具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时稳定电压值上升；而稳定电压为4～7V的稳压管，温度系数非常小，齐纳击穿和雪崩击穿都有，互相补偿，温度系数近似为零。上一页下一页返回5.2二极管

由于稳压管的反向电流小于IZmin时不稳定，大于IZmax时会因超过额定功率而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管的正常工作，故称这个电阻为限流电阻。只有在R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。上一页返回5.3晶体管5.3.1晶体管的结构及类型不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结就构成晶体管。晶体管的结构示意图如图5-17（a），其三个区分别称为发射区、基区和集电区，从3个区引出的引脚分别称为发射极、基极和集电极，用符号e、b、c来表示。根据排列方式不同，分为PNP型晶体管和NPN型晶体管两种类型。晶体管在电路中常用字母VT表示。当PN结处在正向偏置时，电流是由P型半导体流向N型半导体。由此可得，该晶体管的基区是P型半导体，其他的两个区都是N型半导体，所以该晶体管为NPN型晶体管，符号如图5-17（b）。下一页返回5.3晶体管

根据同样的原理，也可以组成PNP型晶体管。图5-18所示为PNP型晶体管的内部结构和符号。5.3.2晶体管的电流放大作用放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件。它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出。放大电路的核心器件是晶体管，晶体管的电流放大作用与晶体管内部PN结的特殊结构有关。PN结内部结构具有如下特殊性：①为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂溶度远高于基区半导体的掺杂溶度，且发射结的面积较小；上一页下一页返回5.3晶体管

二极管内部只有一个PN结，若在二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体，由图5-17（a）可见，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成3个区，分别称为发射区、基区和集电区。②发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂溶度要高于集电区的掺杂溶度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子；联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂溶度也很低。放大器是一个有输入和输出端口的四端网络，要将晶体管的3只引脚接成四端网络的电路，必须将晶体管的一只脚作公共脚。上一页下一页返回5.3晶体管

5.3.3晶体管的共射特性曲线晶体管的特性曲线是描述晶体管各电极之间电压与电流的曲线。它们是晶体管内部载流子运动规律在管子外部的表现。晶体管共发射极放大电路的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线。下面以NPN型晶体管为例讨论晶体管共射电路的特性曲线。1．输入特性曲线输入特性曲线是指当集—射极之间的电压VCE为某一常数时，输入回路中的基极电流IB与加在基—射极间的电压vBE之间的关系曲线。上一页下一页返回5.3晶体管

①在输入特性曲线上也有一个开启电压，在开启电压内，vBE虽已大于零，但iB几乎仍为零，只有当vBE的值大于开启电压后，iB的值与二极管一样随vBE的增加按指数规律增大，如图5-20所示。硅晶体管的开启电压约为0.5V，发射结导通电压Von约为0.6～0.7V；锗晶体管的开启电压约为0.2V，发射结导通电压约为0.2～0.3V。②三条曲线分别为VCE=0V，VCE=0.5V和VCE=1V的情况。当VCE=0V时，相当于集电极和发射极短路，即集电结和发射结并联，输入特性曲线和PN结的正向特性曲线相类似。当VCE＝1V，集电结已处在反向偏置，晶体管工作在放大区，集电极收集基区扩散过来的电子，使在相同vBE值的情况下，流向基极的电流iB减小，输入特性随着VCE的增大而右移。上一页下一页返回5.3晶体管

当VCE>1V以后，输入特性几乎与VCE＝1V时的特性曲线重合，这是因为VCC＞1V后，集电极已将发射区发射过来的电子几乎全部收集走，对基区电子与空穴的复合影响不大，iB的改变也不明显。2．输出特性曲线输出特性曲线是描述晶体管在输入电流iB保持不变的前提下，集电极电流iC和管压降vCE之间的函数关系，即晶体管的输出曲线如图5-21所示。由图5-21可见，当IB改变时，iC和vCE的关系是一组平行的曲线族，并有截止、放大和饱和3个工作区。（1）截止区（2）饱和区（3）放大区上一页下一页返回5.3晶体管

5.3.4晶体管的主要参数1．共射电流放大系数和β为共射直流电流放大系数，β为交流电流放大系数，上述两个电流放大系数的含义虽然不同，但工作在输出特性曲线放大区平坦部分的晶体管，两者的差异极小，可做近似相等处理，故在今后应用时，通常不加区分，直接相互替代使用。2．极间反向饱和电流ICBO和ICEO上一页下一页返回5.3晶体管

集电结反向饱和电流ICBO是指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下，硅管的ICBO在纳（10-9）的量级，通常可忽略。3．极限参数（1）集电极最大允许电流ICM晶体管的集电极电流IC在相当大的范围内β值基本保持不变，但当IC的数值大到一定程度时，电流放大系数β值将下降。使β值明显减少的IC即为ICM。为了使晶体管在放大电路中能正