大學(xué)模電技術(shù)知識點

1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體及其特點純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在熱“激發(fā)”條件下，本征半導(dǎo)體中的電子和空穴是成對產(chǎn)生的；當電子和空穴相遇“復(fù)合”時，也成對消失；電子和空穴都是載流子；溫度越高，“電子一空穴”對越多；在室溫下，“電子一空穴”對少，故電阻率大。摻雜半導(dǎo)體及其特點（1） N型半導(dǎo)體：在本征硅或鍺中摻入適量五價元素形成N型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體中電子為多子，空穴為少子；電子的數(shù)目（摻雜+熱激發(fā)）=空穴的數(shù)目（熱激發(fā)）+正粒子數(shù)；半導(dǎo)體對外仍呈電中性。（2） P型半導(dǎo)體：在本征硅或鍺中摻入適量三價元素，形成P型半導(dǎo)體，其空穴為多子，電子為少子；空穴的數(shù)目（摻雜+熱激發(fā)）=電子的數(shù)目（熱激發(fā)）+負粒子數(shù)；對外呈電中性。在本征半導(dǎo)體中，摻入適量雜質(zhì)元素，就可以形成大量的多子，所以摻雜半導(dǎo)體的電阻率小，導(dǎo)電能力強。當N型半導(dǎo)體中再摻入更高密度的三價雜質(zhì)元素，可轉(zhuǎn)型為P型半導(dǎo)體；反之，P型半導(dǎo)體也可通過摻入足夠的五價元素而轉(zhuǎn)型為N型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的兩種電流（1）漂移電流：在電場作用下，載流子定向運動所形成的電流則稱為漂移電流。（2）擴散電流：同一種載流子從濃度高處向濃度低處擴散所形成的電流為擴散電流。PN結(jié)的形成通過一定的工藝，在同一塊半導(dǎo)體基片的一邊摻雜成P型，另一邊摻雜成N型，P型和N型的交界面處會形成PN結(jié)。P區(qū)和N區(qū)中的載流子存在一定的濃度差，濃度差使多子向另一邊擴散，從而產(chǎn)生了空間電荷和內(nèi)電場；內(nèi)電場將阻多子止擴散而促進少子漂移;當擴散與漂移達到動態(tài)平衡時，交界面上就會形成穩(wěn)定的空間電荷層（或勢壘區(qū)、耗盡層），即PN結(jié)形成。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置時，空間電荷層變窄，內(nèi)電場變?nèi)?，擴散大于漂移，正向電流很大（多子擴散形成），PN結(jié)呈現(xiàn)為低電阻，稱為正向?qū)?。正向壓降很小，且隨溫度上升而減小。PN結(jié)反向偏置時，空間電荷層變寬，內(nèi)電場增強，漂移大于擴散，反向電流很?。ㄉ僮悠菩纬桑?，PN結(jié)呈現(xiàn)為高電阻，稱為反向截止。反偏電壓在一定范圍內(nèi)，反向電流基本不變（也稱為反向飽和電流），且隨溫度上升而增大。PN結(jié)的電容特性（1） 勢壘電容C:當外加在PN結(jié)兩端的電壓發(fā)生變化時，空間電荷層中的電荷量會發(fā)生變B化，這一現(xiàn)象是一種電容效應(yīng)，稱為勢壘電容。C是非線性電容。B（2） 擴散電容CD：當PN結(jié)正向偏置時，多子擴散到對方區(qū)域后，在PN結(jié)邊界附近有積累，并會有一定的濃度梯度。積累的電荷量也會隨外加電壓變化，引起電容效應(yīng)，稱為擴散電容。C也是非線性電容。晶體管的結(jié)構(gòu)及類型晶體管有雙極型和單極型兩種，通常把雙極型晶體管簡稱為晶體管，而單極型晶體管簡稱場效應(yīng)管。晶體管是半導(dǎo)體器件，它由摻雜類型和濃度不同的三個區(qū)（發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)）形成的兩個PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）組成，分別從三個區(qū)引出三個電極（發(fā)射極e、基極b和集電極C）。晶體管根據(jù)摻雜類型不同，可分為NPN型和PNP型兩種；根據(jù)使用的半導(dǎo)體材料不同，又可分為硅管和鍺管兩類。晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠遠高于基區(qū)摻雜濃度，并且基區(qū)很薄，集電結(jié)的面積比發(fā)射結(jié)面積大。這是晶體管具有放大能力的內(nèi)部條件。電流分配與放大作用晶體管具有放大能力的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。在這種偏置條件下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子擴散到基區(qū)后，只有極少部分在基區(qū)被復(fù)合，絕大多數(shù)會被集電區(qū)收集后形成集電極電流。通過改變發(fā)射結(jié)兩端的電壓，可以達到控制集電極電流的目的。晶體管的電流分配關(guān)系如下：二』C+ZC=^E+ZCEO其中電流放大系數(shù)圧和E之間的關(guān)系是圧二B/（l+3），歹二圧/（I—圧）；I是集CBO電結(jié)反向飽和電流，I是基極開路時集電極和發(fā)射極之間的穿透電流，并且 I=（1+TOC\o"1-5"\h\zCEO CEO)ICBO在放大電路中，通過改變U，改變I或I，由△I或4I產(chǎn)生△I,再通過集電極電阻BE B E B E CRC，把電流的控制作用轉(zhuǎn)化為電壓的控制作用，產(chǎn)生AUo=AICRC。實質(zhì)上，這種控制作用就是放大作用。 ° “晶體管的工作狀態(tài)當給晶體管的兩個PN結(jié)分別施加不同的直流偏置時，晶體管會有放大、飽和和截止三種不同的工作狀態(tài)。這幾種工作狀態(tài)的偏置條件及其特點如表2.1所列。表2.1晶體管的三種工作狀態(tài)工作狀態(tài)直流偏置條件各電極之間的電位關(guān)系特點NPNPNP放大發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏u>u>uC B Eu<u<uC B EI邙IC ■ B飽和發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏u>u，u>uB E B Cu<u，u<uB E B Cu=uCE CES截止發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏u<u，u<uB E B Cu>u，u>uB E B CI=0C4.伏安特性及主要參數(shù)（1）共射極輸入特性（以NPN管為例）7 —f迄'| ,輸入特性表達式為：*一血％一定。當UCE=0時，輸入特性相當于兩個并聯(lián)二極管的正向特性。當u〉0時，輸入特性右移，U三1V后輸入特性基本重合。因為發(fā)射結(jié)正偏，CE CE晶體管的輸入特性類似于二極管的正向伏安特性。（2）共射極輸出特性（以NPN管為例）

7 =Ffr』'|共射極輸出特性表達式為：c 強盡一定。晶體管輸出特性曲線的三個區(qū)域?qū)?yīng)于晶體管的三個工作狀態(tài)（飽和、放大和截止）。a） 飽和區(qū)：此時U很小，集電區(qū)收集載流子的能力很弱。I主要取決于U，而與ITOC\o"1-5"\h\zCE C CE B關(guān)系不大。b） 放大區(qū)：位于特性曲線近似水平的部分。此時，I主要取決于I,而與U幾乎無關(guān)。C B CEC）截止區(qū)：位于I=—I的輸出特性曲線與橫軸之間的區(qū)域。此時，I幾乎為零。B CBO C（3） 主要參數(shù)a） 直流參數(shù)：共基極直流電流放大系數(shù)比，共射極直流電流放大系數(shù)3；集電極一基極間反向飽和電流I，集電極一發(fā)射極間穿透電流I。CBO CEOb） 交流參數(shù)：共基極交流電流放大系數(shù)①，共射極交流電流放大系數(shù)0,其中衽皿,節(jié)"；共基極截止頻率/“，共射極截止頻率幾，特征頻率了丁，其中m#。C）極限參數(shù)：集電極最大允許功率耗散P，集電極最大允許電流I；反向擊穿電壓:CM CMU，U，U。（BR）CEO （BR）EBO （BR）CBO（4） 溫度對參數(shù)的影響溫度每增加1°C,U將減?。?~2.5）mV；溫度每增加10°C左右，I增加一倍；溫度每BE CBO增加1C，0增大（0.5?1）%。場效應(yīng)管場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與類型場效應(yīng)管是一種半導(dǎo)體器件，與第二章介紹的晶體管類似，器件內(nèi)部也有兩個PN結(jié)，器件外部也有三個電極（源極s、柵極g和漏極d）。場效應(yīng)管按照結(jié)構(gòu)和控制電場的形式，有結(jié)型和絕緣柵型兩大類型。結(jié)型的柵極與硅材料直接接觸，控制電場是PN結(jié)的內(nèi)電場；絕緣柵型的柵極與硅材料之間隔有絕緣層（SiO2）,不直接接觸，控制電場是外電壓產(chǎn)生的表面電場。場效應(yīng)管按照工作方式，有耗盡型和增強型之分。耗盡型：在外加電壓為零時，管內(nèi)有固定的導(dǎo)電溝道，隨外加電壓的絕對值增大，導(dǎo)電溝道逐漸消失（耗盡）；增強型：在外加電壓為零時，管內(nèi)沒有導(dǎo)電溝道，當外加電壓的絕對值增大到一定程度后，導(dǎo)電溝道逐漸形成（增強）。場效應(yīng)管按照導(dǎo)電溝道的摻雜類型，有N溝道和P溝道。兩者的外加電壓極性相反。結(jié)型〔JFET屬于耗盡型$驚JN溝道

店溝道JNJN溝道

店溝道JN溝道

P溝道場效應(yīng)管〔FET” 耗懇型絕緣柵型（MQSFET>増強型場效應(yīng)管的工作原理學(xué)習(xí)場效應(yīng)管的工作原理時應(yīng)正確理解以下幾個概念:a） 控制漏極電流的基本原理場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道是一個可變電阻，外加電壓改變導(dǎo)電溝道的幾何尺寸，以改變導(dǎo)電溝道電阻的大小，從而達到控制漏極電流的目的。b） 外加電壓對導(dǎo)電溝道的影響當漏源電壓等于零時，柵源電壓變化，導(dǎo)電溝道處處寬度相等；當漏源電壓不等于零時，導(dǎo)電溝道呈楔狀，靠近漏極處溝道較窄。c） 夾斷電壓和開啟電壓對耗盡型管，當柵源電壓的絕對值增大到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道就消失——稱為夾斷，把這一狀態(tài)時的柵源電壓稱為夾斷電壓卩昭呦。N溝道5曲＜0，P溝道〉0。對增強型管，當柵源電壓的絕對值增大到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道就出現(xiàn)——稱為開啟，把這一狀態(tài)時的柵源電壓稱為開啟電壓U昭迎。N溝道%叫0，P溝道%叫0。d） 預(yù)夾斷和全夾斷預(yù)夾斷一一當 定，恥增大到一定大小時，漏極端的溝道開始夾斷。全夾斷一一導(dǎo)電溝道從源極端到漏極端全部夾斷，漏極電流為零。e） 預(yù)夾斷前后的導(dǎo)電情況預(yù)夾斷前，漏源極之間電壓變化，漏極電流隨之變化，類似電阻。當柵源極之間電壓不同時，漏源極之間的等效電阻不同，稱為“可變電阻區(qū)”預(yù)夾斷后，漏源極之間電壓變化，漏極電流近似等于常數(shù)。因為恥數(shù)值增大，夾斷區(qū)由漏極向源極延伸，溝道電阻增大，使“恥數(shù)值的增加為溝道壓降的增加抵消，漏極電流基本不變，稱為“恒流區(qū)”但是，對應(yīng)于不同的“曲，漏極電流的恒值不同。也就是說，"曲對漏極電流有控制作用，所以又稱為“放大區(qū)”場效應(yīng)管的特性各種不同類型場效應(yīng)管的特性如表3.1所列。表3.1各種場效應(yīng)管的特性

N溝道P溝道増強型MOS耗盡型MOS-JFET増強型MOS;耗盡型MOSJFET.或+■++導(dǎo)通條□gs、'GSA□gs>匸「GSfoflGS€LGSftli：JGS丈^GSfofLGS弋Ss聞%+++———工作在可變電阻區(qū)的條f半^DS—^GS-□gs曲1^DS—^GS-~:'-'GSfoffi^DS■-口GS~'■-'GSfodFi^DS—D堡'^GSrthVQg—口関-^GSfaffl丁D￡巨口関_￡-'gs聞工作在恒疣區(qū)的條件^DS；'■''GS-'C/GSfthl-='-'-GSfcdFi；工作在恒疣區(qū)曲漏無—^DSS(1tt )或，1)—疋'汝GSUGS(uff：i '4.場效應(yīng)管的主要參數(shù)a） 直流參數(shù)：開啟電壓口昭⑷，夾斷電壓%咀；零偏漏極電流I；。DSSb） 交流參數(shù)：跨導(dǎo)g（也稱為互導(dǎo)），它是管子在保持U—定時，漏極電流微變量與DS柵極電壓微變量的比值；極間電容：柵源電容C、柵漏電容Cd、漏源電容Cd。gs gd dsc）極限參數(shù)：漏極最大允許耗散功率P它相當于雙極型晶體管的P；最大漏極電流DSM CMI是管子在工作時允許的漏極電流最大值，相當于雙極型晶體管的I；柵源擊穿電壓u（）DSM CM （BR）GS；漏源擊穿電壓U（B”s。.場效應(yīng)管的微變等效電路場效應(yīng)管的微變等效電路如圖3.1所示。(a) ⑹ (c)圖MlFET的微變等效電路及高頻模型(a)FET的鍛孌等效電躋⑹FET簡化的徴孌等效電躋(c)FET的高頻模型6.場效應(yīng)管與晶體管的比較導(dǎo)電機理場效應(yīng)管利用多子導(dǎo)電，而晶體管則利用多子和少子導(dǎo)電。結(jié)構(gòu)對稱性場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)具有對稱性，如果絕緣柵型管的襯底在電路內(nèi)部事先不與源極相連，場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換。而晶體管的結(jié)構(gòu)不對稱，集電極與發(fā)射極是不能互換的?？刂品绞綀鲂?yīng)管工作在放大狀態(tài)時，漏極電流％基本上只隨柵源極間電壓的變化而變化。所以，常稱其為電壓控制型器件。晶體管工作在放大狀態(tài)時，集電極電流比基本上只隨基極電流也的變化而變化，習(xí)慣上稱其為電流控制型器件。但基極電流仏又受基極與發(fā)射極間電壓的控制，實質(zhì)上仍然是電壓控制型器件。直流輸入電阻場效應(yīng)管的直流輸入電阻大(結(jié)型：一般大于1°了°,絕緣柵型：一般大于1廳°)；而晶體管直流輸入電阻較小(發(fā)射結(jié)正偏)。穩(wěn)定性及噪聲場效應(yīng)管具有較好的溫度穩(wěn)定性、抗輻射性和低噪聲性能；晶體管則受溫度和輻射的影響較大，這些都與導(dǎo)電機理有關(guān)。放大能力場效應(yīng)管因跨導(dǎo)Em較小，而放大能力較弱；晶體管因電流放大系數(shù)?較大而放大能力較強。.集成電路中元器件的特點由于集成電路是利用半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝把整個電路的元器件制作在同一塊硅基片上，與分立元件電路相比，集成電路中的元件有如下特點：相鄰元器件的特性一致性好；用有源器件代替無源器件；二極管大多由三極管構(gòu)成；只能制作小容量的電容器。集成運放的典型結(jié)構(gòu)集成運算放大器是一種高增益的直接耦合多級放大電路，它由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。團4.1集成運放的電路框團一般要求輸入級的輸入電阻大、失調(diào)和零漂??；中間級的電壓放大倍數(shù)大；輸出級的輸出電阻小、帶負載能力強；偏置電路為各級提供穩(wěn)定的偏置電流。通常輸入級采用差分放大電路；中間級采用共射放大電路；輸出級采用互補推挽乙類放大電路；偏置電路采用電流源電路。6.1運算電路的分析方法由于運算放大器的增益很高，引入負反饋后很容易滿足深度負反饋條件，可實現(xiàn)性能優(yōu)越的各種數(shù)學(xué)運算電路。為了突出基本概念，減少復(fù)雜的計算，在分析各種運算電路時，將集成運放視為理想器件。理想運放的特性理丘和忌都趨向無限大，并且Jg%和』1￡均等于零，其它參數(shù)也不考慮，這就是理想運算放大器。運放的工作狀態(tài)在運算電路中，由于電路引入深度負反饋，運放工作在線性狀態(tài)。當輸入信號過