模拟电子技术基础总结
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第一章晶体二极管及应用电路
一、半导体知识
1.本征半导体
·单质半导体材料就是具有4价共价键晶体结构的硅(Si)与锗(Ge)(图1-2)。前者就是制造半导体IC的材料(三五价化合物砷化镓GaAs就是微波毫米波半导体器件与IC的重要材料)。
·纯净(纯度>7N)且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在一定的温度下,本征半导体内的最重要的物理现象就是本征激发(又称热激发或产生)(图1-3)。本征激发产生两种带电性质相反的载流子——自由电子与空穴对。温度越高,本征激发越强。
+载流子。空穴导电的本质就是价电子依次填补本·空穴就是半导体中的一种等效q
+电荷的空位宏观定向运动(图1-4)。
征晶格中的空位,使局部显示q
·在一定的温度下,自由电子与空穴在热运动中相遇,使一对自由电子与空穴消失的现象称为载流子复合。复合就是产生的相反过程,当产生等于复合时,称载流子处于平衡状态。
2.杂质半导体
·在本征硅(或锗)中渗入微量5价(或3价)元素后形成N型(或P型)杂质半导体(N 型:图1-5,P型:图1-6)。
·在很低的温度下,N型(P型)半导体中的杂质会全部电离,产生自由电子与杂质正离子对(空穴与杂质负离子对)。
·由于杂质电离,使N型半导体中的多子就是自由电子,少子就是空穴,而P型半导体中的多子就是空穴,少子就是自由电子。
·在常温下,多子>>少子(图1-7)。多子浓度几乎等于杂质浓度,与温度无关;两少子浓度就是温度的敏感函数。
·在相同掺杂与常温下,Si的少子浓度远小于Ge的少子浓度。
3.半导体中的两种电流
在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流(这与金属导电一致);还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。
4.PN结
·在具有完整晶格的P型与N型材料的物理界面附近,会形成一个特殊的薄层——PN结(图1-8)。
·PN结就是非中性区(称空间电荷区),存在由N区指向P区的内建电场与内建电压;PN结内载流子数远少于结外的中性区(称耗尽层);PN结内的电场就是阻止结外两区的多子越结扩散的(称势垒层或阻挡层)。
·正偏PN 结(P 区外接高于N 区的电压)有随正偏电压指数增大的电流;反偏PN 结(P 区外接低于N 区的电压),在使PN 结击穿前,只有其值很小的反向饱与电流S I 。即PN 结有单向导电特性(正偏导通,反偏截止)。
·PN 结的伏安方程为:/(1)T
v V S i I e
=-,其中,在T=300K 时,热电压26T V ;mV 。
·非对称PN 结有P N +结(P 区高掺杂)与PN +
结(N 区高掺杂),PN 结主要向低掺杂区
域延伸(图1-9)。
二、二极管知识
·普通二极管内芯片就就是一个PN 结,P 区引出正电极,N 区引出负电极(图1-13)。 ·在低频运用时,二极的具有单向导电特性,正偏时导通,Si 管与Ge 管导通电压典型值分别就是0、7V 与0、3V;反偏时截止,但Ge 管的反向饱与电流比Si 管大得多(图1-15)。
·低频运用时,二极管就是一个非线性电阻,其交流电阻不等于其直流电阻。
二极管交流电阻d r 定义:1
D d D Q
di r dv -⎛⎫= ⎪
⎝⎭
·稳压管电路设计时,要正确选取限流电阻,使稳压管在一定的负载条件下正常工作。
二极管交流电阻d r 估算:d T D r V I ≈
·二极管的低频小信号模型就就是交流电阻d r ,它反映了在工作点Q 处,二极管的微变电流与微变电压之间的关系。
·二极管的低频大信号模型就是一种开关模型,有理想开关、恒压源模型与折线模型三种近似(图1-20)。
三、二极管应用
1.单向导电特性应用
·整流器:半波整流(图1-28),全波整流(图P1-8a),桥式整流(图P1-8b) ·限幅器:顶部限幅,底部限幅,双向限幅(图P1-9) ·钳位电路*
·通信电路中的应用*:检波器、混频器等 2.正向导通特性及应用
二极管正向充分导通时只有很小的交流电阻,近似于一个0、7V(Si 管)或0、3V(Ge 管)的恒压源。
3.反向击穿及应用
·二极管反偏电压增大到一定值时,反向电流突然增大的现象即反向击穿。
·反向击穿的原因有价电子被碰撞电离而发生的“雪崩击穿”与价电子被场效激发而发生的“齐纳击穿”。
·反向击穿电压十分稳定,可以用来作稳压管(图1-33)。 4.高频时的电容效应及应用
·高频工作时,二极管失去单向导电特性,其原因就是管内的PN 结存在电容效应(结电容)。
·结电容分为PN 结内的势垒电容T C 与PN 结两侧形成的扩散电容D C 。 ·T C 随偏压的增大而增大,D C 与正偏电流近似成正比。
·反偏二极管在高频条件下,其等效电路主要就是一个势垒电容T C 。利用这一特性的二极管称为变容二极管。变容二极管在通信电路中有较多的应用。
第二章 双极型晶体三极管(BJT)
一、BJT 原理
·双极型晶体管(BJT)分为NPN 管与PNP 管两类(图2-1,图2-2)。
·当BJT 发射结正偏,集电结反偏时,称为放大偏置。在放大偏置时,NPN 管满足C B C V V V >>;PNP 管满足C B E V V V <<。
·放大偏置时,作为PN 结的发射结的VA 关系就
是:/BE T v V E ES i I e =(NPN),/EB T
v V E ES i I e =(PNP)。
·在BJT 为放大偏置的外部条件与基区很薄、发射区较基区高掺杂的内部条件下,发射极电流E i 将几乎转化为集电流C i ,而基极电流较小。
·在放大偏置时,定义了
CN
E i i α=
(CN i 就是由E i 转化而来的C i 分量)极之后,可以导出两
个关于电极电流的关系方程:C E CBO i i I α=+
(1)C B CBO B CEO i i I i I βββ=++=+
其中
1α
βα=
-,CEO I 就是集电结反向饱与电流,(1)CEO CBO I I β=+就是穿透电流。
·放大偏置时,在一定电流范围内,E i 、C i 、B i 基本就是线性关系,而BE v 对三个电流都就是指数非线性关系。
·放大偏置时:三电极电流主要受控于BE v ,而反偏CB v 通过基区宽度调制效应,对电流