模拟电子技术-常用半导体器件

一、半导体基础知识
二、PN结
- 2.1 PN结简介
- 2.2 PN结正向导电性
- - 2.2.1 正向电压
  - 2.2.2 反向电压
  - 2.2.3 PN结伏安特性
三、二极管
- 3.1 二极管伏安特性曲线
- 3.2 二极管参数和等效电路
- - 3.2.1 性能参数
  - 3.2.2 等效电路
- 3.3 二极管限幅和整流应用(正向特性)
- 3.4 稳压二极管(反向特性)
- - 3.4.1 稳压二极管主要参数
四、三极管(双极型晶体管BJT)
- 4.1 三极管之电流放大作用
- 4.2 BJT共射特性曲线
- - 4.2.1 输入特性曲线(基极电流IB与发射结压降UBE)
  - 4.2.2 输出特性曲线(集电极电流IC与管压降UCE)
五、场效应管(FET)
- 5.1 绝缘栅型场效应管-MOS管
- - 5.1.1 N沟道增强型MOS管
  - 5.1.2 N沟道耗尽型MOS管
- 5.2 结型场效应管-JFET
六、场效应管和晶体管的比较
附录(三极管和场效应管的特性曲线)

一、半导体基础知识

半导体：构成电子电路的基本元件
本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体
共价键中留下一个空位置叫做空穴带正电，自由电子带负电，半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象叫本征激发
载流子：运载电荷的粒子，其中导体只有一种载流子，即自由电子导电，本征半导体有自由电子和空穴导电
杂质半导体：N型半导体：掺入少量合适的杂质元素的本征半导体，纯净的硅晶体中掺入五价如磷元素，取代硅原子。掺入三价如硼元素，取代硅原子，形成P型半导体
N型半导体：杂质原子外层有5个价电子，除了形成4个共价键外，还多一个电子，多出的电子成为自由电子。其中自由电子浓度>空穴浓度，自由电子为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)，N型半导体靠自由电子(负电)导电
P型半导体：杂质原子外层有3个价电子，只能形成3个共价键，多了一个空位(空穴)，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电(正电)
硅是4个价电子，N型5个价电子一一配对，形成4个共价键，单多出一个电子，P型3个价电子，少一个落单，这种缺失电子的情况成为空穴

二、PN结

2.1 PN结简介

PN结：将P型和N型半导体制作在同一个块硅片上，在交界处形成PN结，PN结具有单向导电性(P->N)
P型半导体和N型半导体中的空穴和自由电子的扩散运动(浓度高->浓度低)形成空间电荷区(PN结)，促成了PN结的性能
随着扩散运动的进行，空间电荷区(耗尽层、阻挡层、PN结)加宽，内电场加强，方向为N区指向P区，正好阻止了扩散运动的进行，达到动态平衡

类似于N区正离子和P区的多数载流子-空穴互斥，P区负离子和N区的多数载流子-自由电子互斥

在电场力的作用下，少子(本征激发产生)发生漂移运动(电场力的作用下，载流子的运动)，空穴从N区->P区，而自由电子从P区->N区

类似于吸引，P区空间电荷全是负离子，N区的少子-空穴直接吸过去

N区的正离子是由于少量的杂质原子缺少电子，变为不可移动的正离子(磷从磷原子变成了带正电的磷离子-不导电)，提供自由电子载流子称为施主原子，P型半导体同理

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2.2 PN结正向导电性

2.2.1 正向电压

PN结外加正向电压(正向偏置)时，外电场和内电场相反，外电场削弱内电场，电源的作用使得扩散运动不断进行，形成正向电流，即处于导通状态(P-----N)
其中PN结导通时的结压降硅是只有0.7V左右，锗大概是0.2V-0.3V，需要电阻限流，不然会损坏PN结

电压需要加到一定才可以导通，即越过死区

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2.2.2 反向电压

PN结外加反向电压(反向偏置)时，内电场和外电场方向一致，加强了内电场，进一步阻止扩散运动，导致PN结处于截至状态

注意虽然加反向电压进一步阻止扩散运动，但由于内电场加宽，加强了漂移运动，形成了反向电流，称为漂移电流，但少子非常少，导致这个漂移电流非常小常忽略不计

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2.2.3 PN结伏安特性

外加正向电压时，i随u承指数规律变化
当反向电压超过一定数值(UBR)时，反向电流急剧增加，称为反向击穿现象
齐纳击穿：高掺杂时，因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，直接破坏共价键，使得电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，叫做齐纳击穿，齐纳击穿电压较低，掺杂浓度低和耗尽层宽度宽，低电压可能不会产生齐纳击穿—适用低反向偏置(5V以下)

PN结很窄，很小的电压就可以击穿了

雪崩击穿：掺杂浓度低，当反向电压加到较大数值时，耗尽层的电场使得少子加快漂移速度，与共价键的价电子相碰撞，把价电子直接撞出共价键，产生电子-空穴对。新产生的电子与空穴被加速后又撞击其他的价电子，载流子成倍增加，电流也是，这种现象称为雪崩击穿—使用高反向偏置(5V以上)

需要PN结的足够宽度，势不可挡

PN损坏并不是因为击穿，而是反向击穿引起的温度升高，由于高功率引起的热击穿，但是当温度不够高时，还是可逆的，但是要控制在损坏温度内

反向击穿时根据反向电压时，电流很大，电压却几乎不变，只要温度控制好不损坏，可用于稳压作用

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三、二极管

PN结封装起来，加上电极构成二极管，P区引出为正极，N区引出为负极，二极管同样具有单向导电性

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3.1 二极管伏安特性曲线

二极管伏安特性曲线和PN结基本一致
但由于体电阻的存在，相同电压下，二极管电流要小一点
反向电流大一点
温度升高时，正向左移，反向下移

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3.2 二极管参数和等效电路

3.2.1 性能参数

二极管性能参数：
1.IF-长期运行时允许通过的最大正向平均电流
2.UR-最高反向工作电压，一般小于UBR增加容错
3.IR-二极管未击穿的反向电流
4.fM-二极管工作的上限截止频率，高频中需要考虑

3.2.2 等效电路

二极管的等效电路：理想二极管、端电压为常量的二极管、电压电流成线性关系的二极管
理想二极管：导通时正向压降为0，截至时反向电流为0。相当于理想开关
端电压为常量的二极管：导通时正向压降为常量Uon，截至时反向电流为0。等效电路为理想二极管串联电压源Uon
电压电流成线性关系的二极管：导通时当正向压降大于Uon后，电压U与电流I成线性关系，斜率为1/rd，截至时反向电流为0。等效电路为理想二极管串联Uon电压源和电阻rd，rd = ΔU/ΔI

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需要根据具体情况，选择合适的等效电路，降低误差

3.3 二极管限幅和整流应用(正向特性)

下图为二极管限幅电路，可以实现端口开路电压不大于某一个电压值

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下图为二极管整流电路，保证U0非负

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3.4 稳压二极管(反向特性)

稳压二极管利用了二极管在反向击穿时，一定电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性

需要控制反向电流不超过一定值，管子就不会因为过热而损坏

Dz为稳压二极管符号，下为稳压二极管等效电路

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3.4.1 稳压二极管主要参数

稳定电压Uz：规定电流下稳压管的反向击穿电压。不同型号但是稳压管Uz不一致，但就某一只管子而言，Uz应该为确定值
稳定电流Iz：稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于低于此值时稳压效果变坏，Iz也记作Imin
额定功耗Pzm：稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流Izm的乘积。稳压管的功耗超过此值时，会因为温度升高而损坏，只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好
动态电阻rz：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=ΔUz/ΔIz。rz越小，电流变化时Uz的变化越小，说明稳压管性能好，对于同一个管子，工作电流越大，rz越小
温度系数α：表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即α=ΔUz/ΔT

由于稳压管中的反向电流小于Imin时不稳压，大于Imax时会因为超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联电阻来限制电流，保证稳压管正常工作

稳压二极管一定要工作在反向击穿状态下

四、三极管(双极型晶体管BJT)

根据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，构成晶体管，如下图所示为NPN型，位于中间的p区为基区，很薄且杂质浓度很低；位于上层的N区是发射区，掺杂浓度最高；位于下层的N区是集电区，面积很大，其中引出的三个电极为基极b，发射极e和集电极c
发射区是发射载流子的区域，集电区是收集载流子，基区是控制区域

所以得到发射区的掺杂浓度一定要高，集电区的面积要大，掺杂浓度不会高，基区的掺杂浓度低且薄

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根据箭头判断PNP还是NPN，箭头从基极到发射极，那肯定是P-N(PN结的正向导电性)，根据三明治结构，所以另一个肯定是N，即是NPN

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4.1 三极管之电流放大作用

如下图是三极管的基本共射放大电路，其中基极-发射极为输入回路，Δui为输入电压信号，Rb为限流电阻；
集电极-发射极为输出回路，其中的集电极Vcc远大于基极VBB，从而晶体管工作在放大状态时的外部条件是发射极正偏，集电极反偏(看电流走向/电位)

晶体管的放大作用体现在了小的基极电流可以控制大的集电极电流

·
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下图是晶体管内部载流子的运动

导体中，自由电子运动反向和电流反向相反，空穴方向一致

发射区杂质浓度高，基区杂质浓度低，自由电子从发射区由于扩散运动到基区形成IEN，基区里的多子是空穴，向发射区扩散，形成IEP，由于基区杂质浓度低，所以IEP<<IEN，最终得IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP
由于基区很薄，杂质浓度很低，且集电结又是反向电压，所以扩散到基区的自由电子只有极少数和空穴复合运动形成电流IBN，其余非平衡少子(即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子)漂移至集电区电流为ICN，同时集电区与基区的平衡少子漂移运动产生的小电流为ICBO，最终得IB=IBN+IEP-IBO；IC=ICN+ICBO

其中IB和IC大部分都是源自于IE的电流分解，其实是IBN和ICN成比例，且外部看IE=IB+IC

放大系数β = ICN/IBN = (IC-ICBO) / (IB+ICBO) ≈ IC/IB(其中约去了小电流IEP和ICBO)
同时解得IC = βIB+(1+β)ICBO = βIB+ICEO，其中ICBO为发射结开路时，集电结的反向饱和电压；ICEO表示在IB开路时，在电源VCC的作用下，形成的集电极和发射极之间的穿透电流

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共基放大电路 α≈IC/IE

4.2 BJT共射特性曲线

4.2.1 输入特性曲线(基极电流IB与发射结压降UBE)

输入特性曲线描述管压降UCE一定的情况下，基极电流IB与发射结压降UBE之间的函数关系，即IB=f(UBE)，其中UCE为常数
输入特性曲线是一个曲线族，UCE越小，曲线左移，但当UCE大于1后，曲线几乎不变，这是由于IC是发射区注入基区的非平衡少子越过基区和集电区形成的电流，那么在基区参与复合运动的非平衡少子就会随UCE的增大(集电结反向电压UCE的增大)而减小(发射结注入基区的全去了集电结，那基区的肯定少了)，所以想要获得同样的IB，必须加大UBE，使发射区向基区注入更多的电子。
对于确定的UBE，当UCE大到一定程度时，集电结的电场已经足够强，再增大UCE，IC也不会大了，就是说IB也不会变化了，即就算增大UCE，曲线也不会右移了

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4.2.2 输出特性曲线(集电极电流IC与管压降UCE)

输出特性曲线描述基极电流IB一定时，集电极电流IC与管压降UCE之间的函数关系，即IC=f(UCE)，其中IB为常数
当UCE从0逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子能力逐渐增强，因此IC逐渐增大，当UCE增大到一定数值时，集电结电场足以将基区的非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，UCE再增大，则IC变化不明显，即IC几乎仅仅取决于IB，IB越大，IC抬的越高
截至区：发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置，对于共射电路，UBE<UON且UCE>UBE，这时IB=0，IC<ICEO，ICEO很小，所以截至状态下近似分析IC=0
放大区：发射结正向偏置且集电结反偏，对于共射电路，UBE>UON且UCE>UBE，此时IC取决于IB，与UCE无关，表现出IB对IC的控制
饱和区：发射结和集电结均处于正向偏置，对于共射电路，UBE>UON且UCE<UBE，这时IC不仅与IB有关，而且明显随UCE增大而增大。实际电路中，当UBE增大时，IB随之增大，而IC增大不多或基本不变，则说明晶体管在饱和区(UCE太小了，非平衡少子给集电结的少)。对于小功率管，当UCE=UBE时，即UCB=0时，晶体管处于临界饱和(放大)区，即βIB＞ICmax时饱和，等号为临界

绝大部分，三极管要处于放大区，即发射结正偏，集电结反偏

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五、场效应管(FET)

场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，它仅靠半导体中的多数载流子导电，又叫单极型晶体管

三极管多子和少子都导电

场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(MOS管)两种结构

5.1 绝缘栅型场效应管-MOS管

MOS管有栅极g、源极s和漏极d三个电极
MOS管共有四种类型，分别为N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管和P沟道耗尽型管
栅-源电压UGS为0时漏极电流也为0的管子属于增强型管，栅-源电压UGS为0时漏极电流不为0的管子属于耗尽型管

5.1.1 N沟道增强型MOS管

以一块低掺杂的P型半导体硅片为衬底，制作两个高掺杂的N区，引出两电极，分别为源极s(载流子的源泉)和漏极d(载流子的漏出处)，再制作一层SO2绝缘层(薄)，SO2上制作一层金属铝，引出电极作为栅极g(控制)

栅极类似于三极管的基极，源极类似于三极管的集电极，漏极类似于发射极
B朝内说明是P->N，沟道为N，反之为P沟道

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当栅-源之间不加电压的时候，漏源之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏-源之间加电压，也不会有漏极电流
漏-源之间不加电压即UDS=0，栅-源之间加电压即UGS>0，正电压使得栅极金属层聚集正电荷，它排斥P衬底靠近SIO2一侧的多数载流子-空穴，使得剩下不能移动的负离子区(电子)，形成耗尽层

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当UGS变大时，耗尽层加宽，同时吸收衬底的自由电子到耗尽层和绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道

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总而言之就是两件事情，一件是排斥空穴，而是吸引自由电子，即形成了N型沟道

使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)，UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，类似于一个可变电阻器，所以只需要在d和s之间加电压就可以使得漏-源之间有电流
当UGS>UGS(th)，在d-s之间加正向电压，则将产生一定的漏极电流ids，大于UGS(th)的增强过程才导通，所以叫增强型
a：Uds较小时，Uds的增大使得ids线性增大(电阻特性)，且与UGS有关。当Uds逐渐增大，电压差逐渐减小，漏极沟道逐渐变窄

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b：当UGS-UDS=UGS(th)时，相当于沟道刚刚形成，出现了夹断点，称为预夹断

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c：当UDS继续增大时，夹断区随之延长，电阻变大，这时id几乎不变了，因为你增加的电压都去抵抗增加的电阻，这时id的大小只取决于UGS

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在恒流区，相当于每一个UGS就会有一个确定的id，这时可将id看为电压UGS控制的电流源，栅-源的电压控制漏极的电流

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所以MOS管的作用一是可变电阻区、而是恒流区
其中MOS管的沟道天生断开，而结型场效应管的沟道天生导通

5.1.2 N沟道耗尽型MOS管

在制作MOS管时，直接在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，那么即使UGS=0，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，即漏-源之间也会有导电沟道。只要在漏-源之间加正向电压，就会产生漏极电流
当UGS为正时，反型层变宽，电阻变小，iD增大；反之，反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小
当UGS减小到一定程度时，反型层消失，漏-源之间导电沟道消失，iD=0，此时的UGS称为夹断电压UGS(off)，UGS(off)为负值

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5.2 结型场效应管-JFET

结型场效应管分为N沟道和P沟道两种类型
N沟道管掺杂了两个高浓度的P，N的两边分别是s和d，引出栅极将两块p接在一起

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就算栅-源不加电压，漏-源之间天生导通

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为使N沟道结型场效应管能正常工作，应在栅-源之间加负向电压(UGS<0)。在漏-源之间加正向电压UDS，形成漏极电流iD

为什么在栅源之间加负电压，当你给UGS大于0时，PN结导通了，就是不是结型场效应管了，玩个屁

当UDS=0，即d-s短路，UGS=0时，耗尽层很窄，导电沟道很宽

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当|UGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大

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当|UGS|增大到一定地步时，耗尽层闭合，沟道消失，电阻趋于无穷大，称此时UGS的值为夹断电压UGS(off)

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UGS为UGS(th)~0V时，UDS=0，虽然存在导电沟道，但是由于d-s间电压为0，多子不会产生定向移动，因而漏极电流iD为0
当UDS开始大于0时，有电流iD从漏极流向源极，使得沟道中各点与栅极电压不再相等，靠近漏极的导电沟道更窄(电阻大)，靠近源极的宽

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栅-漏电压UGD=UGS-UDS，所以UDS逐渐增大时，UGD逐渐变小，靠近漏极一侧的导电沟道变窄。只要栅-漏不夹断，沟道电阻仍基本决定于栅-源电压UGS，因此前期电流iD随UDS的增大而增大，d-s呈现电阻特性，而一旦UDS的增大使得UGD=UGS(off)，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，称UGD=UGS(off)为预夹断

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UDS继续增大时，即UGD<UGS(off)，夹断区延长。一方面自由电子从漏极到源极移动阻力加大，导致id变小，另一方面随着UDS的增大，d-s之间的纵电场增强，导致iD增大，两方面互相抵消，因此，当UDS再增大时，id几乎不变了，仅仅取决于UGS的大小，表现出恒流区

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场效应管的应用同样是在恒流区使用UGS控制id的变化和可变电阻区两个方面

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注意，N沟道结型场效应管不能工作在UGS>0的情况
结型场效应管和绝缘栅耗尽型管的功能类似，但耗尽型MOS可以工作在UGS>0的情况

六、场效应管和晶体管的比较

首先场效应管的栅极g、源极s、漏极d对于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，作用类似
场效应管使用g-s电压UGS控制iD，栅极不取电流；晶体管工作时索取基极的一定电流-iB控制iC，因此输入电阻高的电路选用场效应管，信号源提供电流时，可以选用晶体管
场效应管只有多子参与导电；晶体管多子和少子均参与导电，而少子的数目受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比晶体管温度稳定性好、抗辐射能力强，环境变化很大时选用晶体管
场效应管的噪声系数小，所以低噪声放大电路的输入极及要求信噪比较高的电路优先选用场效应管
场效应管的源极和漏极可以互换使用，晶体管的发射极和集电极基本不互换