1、 模擬電子技術第一章編寫：梁炯名歡迎指導 【內容摘要】半導體器件是電子線路的核心，因其具有體積小，重量輕，使用壽命長，耗電少，工作可靠等優點而被廣泛應用。第1章 半導體基礎知識1.1 半導體的特點自然界中的各種物質，按導電能力可以劃分為導體，絕緣體和半導體三大類。半導體導電能力介于導體和絕緣體之間。（1） 半導體對溫度敏感 當溫度升高時，半導體的導電能力增強。利用半導體的熱敏性可以制作成各種熱敏元件，用來檢測溫度的變化。（2） 半導體對光照敏感 有些半導體被光照后其導電能力增強。利用光敏性可以制作成光敏二極管，光敏電阻等光敏元器件。（3） 半導體具有摻雜性 如果在純凈的半導體內參入某種微量元素

2、后，其導電能力可能增加幾十萬倍至幾百萬倍。利用這種摻雜性可以制作成二極管，晶體管和場效應晶體管等半導元器件。1.2 本證半導體純凈的單晶半導體稱為本征半導體，即不含任何雜質、結構完整的半導體。1.2.1 本征半導體的晶體結構 常用的半導體材料硅（Si）和鍺（Ge）的原子序數分別為14和32，它們的原子結構如圖1-1（a）和（b）所示。圖 1-1 硅和鍺的原子結構模型(a) 硅； (b) 鍺； (c) 原子簡化模型 硅和鍺都是晶體，晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣稱為晶格。整塊晶體內部晶格排列完全一致的晶體稱為單晶。 硅和鍺的單晶體即為本征半導體。圖 1-2 硅和鍺晶體共價鍵結構示意圖 1.

3、2.2 兩種載流子 自由電子又叫電子載流子，空穴又叫空穴載流子，統稱載流子。因此半導體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導電，分別形成電子流和空穴流，這是導體區別于半導體的重要特征。在常溫下本征半導體的載流子濃度很低，導電能力很弱。1.2.3 雜質半導體利用半導體的摻雜特性，如果在本征半導體中摻入少量的其他元素，可以使本征半導體的導電性能發生顯著的變化。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。根據摻入的雜質不同，雜質半導體可分為N型半導體和P型半導體。（1） N型半導體在純凈的單晶體硅中，摻入微量的五價雜質元素，如磷、砷、銻等，使原來晶格中的某些硅原子被雜質原子所取代，便構成N型半導體。自由電子：多數載

4、流子(多子)空 穴：少數載流子(少子)圖 1-3 P型半導體結構示意圖 （2） P型半導體在純凈的單晶硅中摻入微量的三價雜質元素，如硼、鎵、銦等，便構成P型半導體。在P型半導體中，由于摻入的是三價雜質元素， 使空穴濃度遠大于自由電子濃度。空 穴：多數載流子(多子)自由電子：少數載流子(少子) 圖 1-4 P型半導體結構示意圖 必須指出：首先，雜質離子雖然帶電荷，但不能移動，因此它不是載流子；此次不論N型半導體還是P型半導體都呈電中性，即對外不顯電性。1.3 PN結形成與特性1.3.1 PN結的形成采用特定的制造工藝，在同一塊半導體基片的兩邊分別形成N型和P型半導體。由于N型和P型半導體交界面兩

5、側的兩種載流子濃度有很大的差異，因此會產生載流子從高濃度區向低濃度區運動，這種運動稱擴散，P區中的空穴會向N區擴散，并在N區被電子復合。而N區中的電子也會向P區擴散，并在P區被空穴復合。如圖1-5 所示1.3.2 PN結的單向導電性加在PN結上的電壓稱為偏置電壓，若在P區接電源正極，N區接電源負極，稱為PN結正向偏置，簡稱正偏；反之，稱為PN結反向偏置，簡稱反偏。（1） PN結正向偏置時，結電阻很小，回路中產生一個較大的正向電流， PN結呈導通狀態；（2） PN結反向偏置時，結電阻很大， 回路中的反向電流很小，幾乎接近于零，PN結呈截止狀態。所以，PN結具有單向導電性。1.4 半導體二極管1.

6、4.1 結構把PN結兩端各引出一根引線，用外殼封裝后就構成二極管。P區引出的電極稱正極或陽極，N區引出的電極稱負極或者陰極。1.4.2 二極管的伏安特性二極管的基本結構就是一個PN結，因此二極管具有和PN結相同的特性。 但是，由于管子存在電中性區的體電阻和引線電阻等，在外加正向電壓相同的情況下，二極管的正向電流要小于PN結的電流，大電流時更為明顯。 當外加反向電壓時，由于二極管表面漏電流的存在，使反向電流增大。 盡管如此，一般情況下仍用PN結的伏安特性方程式來描述二極管的電壓和電流關系。1.4.3 二極管的主要參數(1) 最大整流電流IF：二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。最大反向工

7、作電壓UR ：當二極管的反向電壓超過最大反向工作電壓UR時，管子可能會因反向擊穿而損壞。 通常：UR為二極管反向擊穿電壓U(BR)的一半。 反向電流IR ：管子未擊穿時的反向電流。 此值越小，二極管的單向導電性越好，隨著溫度的增加，反向電流會急劇增加，使用時要注意溫度的影響。(4) 最高工作頻率fM ：它是指二極管正常工作時的上限頻率。 超過此值，由于二極管結電容的作用，二極管的單向導電性將遭到破壞。1.4.4 穩壓二極管 穩壓二極管又稱齊納二極管，簡稱穩壓管，它是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅半導體二極管。 （1）穩壓管的伏安特性 反向擊穿狀態下，管子兩端電壓變化很小，具有近似恒壓功能，即穩

8、壓。但要注意限制流過的電流。限流電阻！（2）在使用穩壓管組成穩壓電路時，應使外加電源的正極接管子的N區，負極接管子的P區，保證穩壓管工作在反向擊穿區。 由圖可見，穩壓管并聯在負載RL的兩端，以使負載兩端電壓在Ui和RL變化時保持穩定。 此外，為了保證穩壓管正常工作時的反向電流在IZminIZmax之間，在電路中串聯一個限流電阻R，只有當R取值合適時，穩壓管才能安全地工作在穩壓狀態。 圖穩壓管穩壓電路1.5 半導體三極管1.5.1 三極管的結構從外表上看兩個N區(或兩個P區)是對稱的，但發射極和集電極不能互換。因為實際上：發射區的摻雜濃度大，集電區摻雜濃度低，且集電結面積大。基區要制造得很薄，其

9、厚度一般在幾個微米至幾十個微米。1.5.2 三極管的工作原理1 三極管的PN結偏置 為使三極管正常工作，必須給三極管的兩個PN結加上合適的直流電壓，或者說，兩個PN結必須有合適的偏置。 每個PN結可有兩種偏置方式（正偏和反偏），所以兩個PN結共有四種偏置方式，從而導致三極管有四種不同的工作狀態。發射結偏置方式 集電結偏置方式 三極管的工作狀態 正偏 反偏 放大狀態 正偏 正偏 飽和狀態 反偏 反偏 截止狀態 反偏 正偏 倒置狀態 2. 三極管常作為放大器件使用，因此三極管除具有放大作用的內部結構條件外，還必須有實現放大的外部條件，即：保證發射結正向偏置，集電結反向偏置。實現發射結正偏、集電結反

10、偏，三個電極的電位關系是： NPN管：UC>UB>UE； PNP管：UC<UB<UE。3 三種組態雙極型三極管有三個電極，用作雙端網絡時，任何一個都可以作為輸入和輸出端的公共電極。因此有三種接法也稱三種組態，見下圖。共發射極接法，發射極作為公共電極，用CE表示；共 基 極接法，基 極作為公共電極，用CB表示；共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。4. . 三極管的電流放大作用 三極管工作在放大狀態時，由于其內部結構的特點，即發射區摻雜濃度高、基區薄、集電結面積大，使發射區擴散到基區的大量電子，只有很小的一部分在基區復合形成很小的基極電流IB，大部分越過基區流向集

11、電區，形成集電極電流IC。 管子做成后，IC和IB的比例基本上保持一定。所以IC的大小不但取決于IB，而且遠大于IB。 因此只要能控制基極的小電流IB，就可實現對大的集電極電流IC的控制。 所謂三極管的電流放大作用，就是指這種對電流的控制能力，故常把三極管稱為電流控制器件。圖中：在輸入電壓ui作用下，三極管的基極電流將在直流電流IB 的基礎上疊加一個動態電流IB， 集電極電流也會在直流電流IC的基礎上疊加一個動態電流IC 。IC與IB之比稱為共射交流電流放大系數，記作，即 5. 三極管的特性曲線輸入特性曲線 iB = f (uBE)½ uCE=const 輸出特性曲線 iC = f

12、(uCE)½ iB=const 所以這兩條曲線是共發射極接法的特性曲線。 iB是輸入電流，uBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，uCE是輸出電壓，從C、E兩電極取出。 （1）共發射極接法的輸入特性曲線 UCE=0V的曲線：即CE極短路，相當于發射結和集電結并聯，輸入特性與PN結正向特性類似。 UCE1V時： UCB= UCE-UBE>0，集電結已進入反偏狀態，開始收集電子，且基區復合減少， IC / IB 增大，特性曲線將向右稍微移動一些。 UCE再增加時：曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內部反饋所致，右移不明顯說明內部反饋很小。（2）輸出特性曲線當UCE=0V時：因集電極無收集作用，iC=0。當UCE稍增大時：發射結雖處于正向電壓之下，但集電結反 偏電壓很小，如：UCE< 1 V UBE=0.7 V UCB= UCE- UBE <0.7 V集電區收集電子的能力很弱，iC主要由UCE決定。 共發射極接法輸出特性曲線輸出特性曲線可以分為三個區域: 飽和區 iC受uCE顯著控制的區域，該區域內uCE的數值較小，一般uCE0.7V(硅管)。此時：發射結正偏，集電結正偏或反偏電壓很小。輸出呈低阻態，相當于開關閉合。截止區 iC接近零的區域，相當iB=0的曲線的下方。此時：發射結反偏，集電結反偏。 輸出呈高阻態