【模拟电子技术基础】第1章常用半导体器件（二极管和三极管）

当导体处于热力学温度OK时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发(也称热激发)。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。

1.4 半导体的导电机理

自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子(即载流子)，这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是：相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。

1.5 杂质半导体

掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。

在本征半导体（例如纯净的硅晶体）中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成N型（电子型）半导体；

在本征半导体（例如纯净的硅晶体）掺入三价元素（如硼、铵、锢等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成Р型（空穴型）半导体。

杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，少子的浓度对温度非常敏感。

在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

多子（自由电子）的数量=正离子数＋少子(空穴）的数量

在Р型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

多子(空穴）的数量=负离子数＋少子（自由电子）的数量

1.6 PN结

（1）PN结的形成

半导体中的载流子有两种有序运动：载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。

同一块半导体单晶上形成Р型和N型半导体区域，在这两个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN结就形成了。

（2）PN结单向导电性

当Р区的电位高于N区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置)，此时，PN结导通，呈现低电阻，流过mA级电流，相当于开关闭合；
当N区的电位高于Р区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN结截止，呈现高电阻，流过uA级电流，相当于开关断开。
PN结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性:即当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。这正是PN结具有单向导电性的具体表现。

（3）PN结的电流方程

$i=I_s(e^{u/U_T}-1)$

式中： $I_S$ 为反向饱和电流； $U_T$ 为温度电压当量，当T=300K时， $U_T$ ≈26mV。

（4）PN结的伏安特性

当u>0且u>>UT时， $i=I_se^{u/U_T}$ ，伏安特性呈非线性指数规律；
当u<0且|u|>>uT时， $i\approx-I_s\approx0$ ，电流基本与u无关；由此亦可说明PN结具有单向导电性能。

反向击穿：当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。

齐纳击穿：在高掺杂的情况下，因为耗尽层宽度很窄，当反向电压增加到某个临界值时，价带中的电子会穿越禁带与空穴重新组合，形成电子-空穴对，导致电流迅速增加。

雪崩击穿：在低掺杂的情况下，耗尽层宽度较宽，则低反向电压下不会产生齐纳击穿。当反向电压接近击穿电压UB时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子一空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。

无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。

（5）PN结温度特性

当温度升高时，PN结的反向电流增大，正向导通电压减小。这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。

（6）PN结电容效应

PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定：势垒电容和扩散电容，它们均为非线性电容。PN结的结电容是二者之和，即

$C_j=C_b+C_d$

势垒电容是耗尽层宽窄变化所等效的电容 $C_b$ 。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。
扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容 $C_d$ 。扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。

PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时，才考虑结电容的作用。

2 半导体二极管

2.1 半导体二极管的几种常见结构及其应用场合

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。

2.2 二极管的伏安特性

（1）二极管和PN结伏安特性的区别

半导体二极管的伏安特性曲线，处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。

正向特性：当V>0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段:①当0<V<Uon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。②当V>Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。

反向特性：当V<0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域:
①当VBR<V<0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流Is。
②当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。从击穿的机理上看，硅二极管若|V|≥7V时，主要是雪崩击穿;若VR≤4V则主要是齐纳击穿，当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。

二极管的伏安特性与PN结伏安特性的区别:二极管的基本特性就是PN结的特性。与理想PN结不同的是，正向特性上二极管存在一个开启电压Uon。一般，硅二极管的Uon=0.5V左右，锗二极管的Uon=0.1V左右;二极管的反向饱和电流比PN结大。

（2）温度对二极管伏安特性的影响

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。
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。二极管的正向压降将减小。每增加1℃，正向压降Up大约减小2mV，即具有负的温度系数。

2.3 二极管的主要参数

（1）最大整流电流 $I_F$ ：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。

（2）最高反向工作电压 $U_{R}$ ：二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。一般取 $U_{(BR)}$ 值的一半。

（3）反向电流 $I_R$ ：二极管未击穿时的反向电流。对温度敏感。越小，则二极管的单向导电性越好。

（4）最高工作频率 $f_M$ ：二极管正常工作的上限截止频率。若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。

2.4 二极管的等效电路（或称为等效模型）

（1）理想模型：即正向偏置时管压降为0，导通电阻为0；反向偏置时，电流为0，电阻为 $\infty$ 。称为理想二极管，相当于理想开关，适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。
（2）简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型，它用两段直线逼近伏安特性，即正向导通时压降为一个常量 $U_{on}$ ；截止时反向电流为0。
（3）小信号电路模型：即在微小变化范围内，将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻r。这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。

2.5 稳压二极管

一、稳压管的伏安特性

稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。

二、稳压管的主要参数

（1）稳定电压 $U_Z$ ：规定电流下稳压管的反向击穿电压。
（2）稳定电流 $I_Z$ ： $I_Z$ 是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。若电流低于此值，则不能稳压，故也常将 $I_Z$ 记作 $I_{Zmin}$ 。
（3）额定功耗 $P_{ZM}$ ： $U_Z$ 等于稳压管的稳定电压与最大稳定电流 $I_{ZM}$ （或记作 $I_{Zmax}$ ）的乘积。超过此值，管子会因结温升太高而烧坏。
（4）动态电阻 $r_z$ ：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

$r_z=\Delta U_Z/\Delta I_Z$

其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 $r_z$ 愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压特性愈好。
（5）温度系数α：表示温度每变化1℃稳压值的变化量。温度的变化将使 $U_Z$ 改变，在稳压管中，当| $U_Z$ |>7V时，Uz具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿；当| $U_Z$ |<4V时， $U_Z$ 具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿；当4V<| $U_Z$ |<7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。

三、稳压管等效电路

稳压管等效电路由两条并联支路构成：

（1）加正向电压以及加反向电压而未击穿时，与普通硅管的特性相同；

（2）加反向电压且击穿后，相当于理想二极管、电压源Uz和动态电阻rz的串联。

四、稳压管稳压电路

稳压二极管在工作时应反接。由于稳压管的反向电流小于 $I_{Zmin}$ 时不稳压，大于 $I_{Zmax}$ 时会因超过额定功耗而损坏，所以必须串联一个电阻来限制电流。

电阻有两个作用：一是起限流作用，以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

2.6 特殊二极管

与普通二极管一样，特殊二极管也具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏特性可制成光电二极管。

3 晶体三极管

3.1 晶体管的结构及类型

双极型晶体管BJIT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。
BJT常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。

位于中间的P为基区，它很薄且杂质浓度很低；

位于上层的N区，掺杂浓度很高；

位于下层的N区是集电区，面积很大。

3.2 BJT具有放大作用的内部条件和外部条件

（1）BJT的内部条件为：BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结(发射结和集电结)、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。

（2）BJT工作在放大状态的外部条件为：发射结正向偏置，集电结反向偏置。

3.3 BJT的电流放大作用及电流分配关系

晶体管具有放大作用，表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。

当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流；而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流 $I_C$ ，体现出 $I_B$ 对 $I_C$ 的控制作用。此时，可将 $I_C$ 看成电流 $I_B$ 控制的电流源。

三个重要的电流分配关系式

$I_E=I_B+I_C$

$IC=\beta I_B+I_{CEO}\approx\beta I_B$

$IC=\alpha I_C+I_{CBO}\approx\alpha I_E$

2.4 晶体管的输入特性和输出特性
晶体管的输入特性和输出特性表明各电极之间电流与电压的关系。现以共射电路为例说明。
(1）共射输入特性:is一八uBE)l VcE=常数。输入特性曲线分为三个区:死区、非线性区和线性区。其中 vcE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vcE≥IV时，特性曲线将会向右稍微移动一些。但vcz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）共射输出特性: ic=fucE)l is=-常数，它是以is为参变量的一族特性曲线。对于其中某一条曲线，当vcE=0V时，ic=0;当vcr微微增大时，ic主要由 vE 决定;当vc增加到使集电结反偏电压较大时，特性曲线进入与vcE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vcr增大而右移的原因是一致的)。因此，输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区、截止区和放大区。
(3）晶体管工作在三种不同工作区外部的条件和特点