模拟电子技术基础——常用半导体器件

外加电源的正极接到PN结的N端，负极接到PN结的P端。此时外加电场和内电场方向相同，扩散作用减弱，漂移运动加强，扩散电流低于漂移电流，PN结内的电流主要由少子的漂移电流决定（反向电流），空间电荷数目增多，空间电荷区变宽，内电场加强。由于少子是由本征激发产生的，浓度较小，因此PN结反向电流远小于正向电流，在一定温度下，少子的浓度基本不变，PN结反向电流几乎与外加反向电压无关，又称反向饱和电流Is，与温度有关。反偏的PN结基本上是截止的，表现为很大的电阻。

3.伏安特性

利用 $U_{(BR)}$ 可以制作稳压二极管

模电——PN结及其特性2_偏压与pn结的结电容特性曲线-CSDN博客https://blog.csdn.net/ljy77882333/article/details/115664867?spm=1001.2014.3001.5502

三、PN结的电流方程

$i=I_{s}(e^{\frac{U}{U_{T}}}-1)$

Is：反向饱和电流，UT：温度当量，温度转化成电压，室温UT=26mV

Us：反向击穿电压（掺杂浓度控制），U：PN结上所加的电压

PN结导通电压——Ge：0.2-0.3V（一般取0.3V），Si：0.6-0.8V（一般取0.7V）

【03】PN与二极管的特性

四、PN结的伏安特性

1.正向特性

死区

2.反向特性

Ge的Is比Si大

3.反向击穿

（1）雪崩击穿（掺杂浓度低；温度越高，所需击穿电压越高，过程）

足够的场强，PN结就变成了一个粒子加速器撞到共价键上，共价键变成自由电子，这个PN

结就击毁。

条件：一定要给PN结足够的宽度，足够的场强。

（2）齐纳击穿（掺杂浓度高；温度越高，所需击穿电压越低，直接拉）

PN结窄，场强非常大，价电子就被拉出来了，PN结被击毁。

思考题：半导体为什么不掺杂6价元素

1.为了让半导体在特定的条件下有更好的导电性，就需要让它内部的电子能够更好的跃迁，故此我们需要掺杂杂质到本征半导体中。一般来说，为了有更好的导电性，我们会选择五价的杂质，这时候的施主能级与导带之间的禁带宽度变小，价电子变得更加容易跃迁，能够让导电性更好。而六价或者七价电子，它的施主能级相对于原本的本征半导体来说提升非常小，甚至可以忽略不计，故此在一般情况下是不会掺杂的。

2.对于本征半导体即没有掺杂的半导体材料而言，存在导带和价带，他俩之间称之为禁带，因为禁带宽度较大，所以室温下价带的电子很难被激发跃迁到导带上，所以基本上不导电。为了让其在特定的条件下具有良好的导电性，所以我们给它掺杂，目的是在导带和价带之间引入一个施主能级，该能级到导带的禁带宽度很小，施主能级上的电子很容易被激发跃迁到导带上，提高导电性，而五价杂质恰好满足这一要求。六价杂质则不行，因为掺杂后，施主能级离价带非常近，相反，离导带距离较远，所以和本征半导体的导电性差不多，掺杂的意义不大。

3.从导电原理上讲,分别掺入低于三价的原子,或掺入高于五价的原子,也是可行的.为何不如此的主要原因是：要最大限度地保持原来单晶结构的完整性.往硅中掺杂,是替位式掺杂,掺入的原子要取代硅原子的位置.为保持晶体的完整,尽量减少晶体缺陷的产生,所以掺杂原子要选择大小与硅原子相差不大的原子为主.三价原子和五价原子就最合适.——摘自B站评论

雪崩击穿：温度越高，雪崩击穿所需要的击穿电压越高。

齐纳击穿：温度越高，齐纳击穿所需要的击穿电压越低。

解释：

齐纳击穿：温度越高，价电子越容易拉出来，热运动能量越高。

雪崩击穿：雪崩击穿需要粒子有一个加速的形成，如果能保证它畅通无阻的行程越长，所需要的电压越低。当温度升高，晶格结构开始震，使得自由电子的自由行程越短，需要电压高。

五、PN结的电容效应

1.势垒电容

用途：可变电容

2.扩散电容

非平衡少子与电压之间的关系

1.2 半导体二极管

1.2.1 常见结构

1.2.2 伏安特性（几乎同PN结）

一、伏安特性

（1）体电阻的存在，相同的电压，电流比PN结小

（2）反向电流大一些

二、温度的影响

1.温度升高（温度曲线的解释：热运动加剧，本征激发，电流变大，少子影响明显，反向饱和电流向下走），正向左移，反向下移

2.室温，每升高1℃，正向压降（电压）减小2-2.5mV；

每升高10℃，反向电流增大一倍

【单向导电性：规定电流路径；正向，电压变化小，稳压；反向，饱和，温度传感器】

1.2.3 二极管的主要参数

一、IF最大整流电流

二极管长期工作的时候所能够通过的正向平均电流的最大值

【04】二极管的直流等效电路

二、UR最高反向工作电压

因为正向导通情况下，工作电压在0.7V（Si），所以关心其电流，防止烧坏；反向存在击穿，所以要关注外加电压，防止超出工作范围
——当二极管处于反向偏置状态时，如果施加的反向电压超过了UBR，就会出现反向击穿现象，使得电流急剧增大，可能导致二极管损坏。

三、IR反向电流（未击穿时）

因为有反向饱和电流，反向饱和电流是pn结反向偏置时，跨pn结形成的电流，这个电流很小，可以忽略不计，所以称pn结有反向截止的特性。

四、fM最高工作频率（Maxmium Frequency）

X（容抗）=1/2丌fC。交流电频率很高，不停地给电容进行充放电。而充放电的过程有电流流通，相当于通电。所以二极管变成双向导电，失去单向性。

1.2.4 二极管的等效电路

一、等效电路

外特性（电压—电流），物理原理

二、伏安特性折线化

（a）理想二极管，不考虑功率，虚线是实际模型

（b）有导通电压，导通压降指的是导通时二极管两端的电压，导通，电压就不变（二极管近似等效，电流大范围对应电压小范围）

（c）直流情况，有导通电压+电源（压降=电压）

【随堂】开路输出电压U0的波形？

限幅电路（二极管正向导通，反向截止，不考虑反向击穿）

整流（理想二极管，Uon=0）

10mV想让二极管工作，加电压；还可以加频率，利用结电容特性

【05】二极管的微变等效和稳压二极管

弹幕助记：

%iD和uD的图像，就是描述作用于二极管两段的瞬时电压和瞬时电流的关系

%为啥不是Ui-Uon的，Id是二极管经过的电流也是电路里的总电流，欧姆定律U总除R总

%小写d下标为纯交流电压源头时电压电流（ui为电压源电压而不是UD代表的二极管电压）
%id的变化量比上ud的变化量，就是求这一段曲线的斜率，也就是求导，求这段曲线的的线性等效方程
%rd动态电阻，与静态位置（工作点），温度相关（ID是取得这点的静态电流值）

%至于Q点电流为什么用ID表示，那是因为两个大写字母表示直流信号，Q点只有直流信号作用

%这边的iD是小交流（id）＋直流（ID），这边iD≈ID可能是因为小交流很小可以忽略吧
%这里还是可以用直流将交流托出水面，静态工作点不同（直流不同），交流上升水面的高度（即位置）就不同

三、二极管的微变等效

1.分析直流，求出ID（静态）

2.rd=UT/ID（二极管等效）

弹幕助记：

%二极管导通后接近稳压，v-uon就是电阻R两旁的电压

%前面的，求的是ID，是静态工作点的电流，静态时二极管导通可以看作导线，rid是交流，别搞混了

%直流工作状态下，二极管不等效为电阻所以不加rid

%Uon是二极管导通压降

%rd等效之后，Ui不能和V共存；rd能求出，假想坐标原点移动（考虑线性关系）

%这里是直流把二极管给打通了，打通了之后二极管就会流过电流，并且打通了之后电流就会根据电压进行变化，而且很像一条直线，就可以等效成电阻
%就是先用直流确定了研究交流的“新起点”以此为基准研究交流，此点往后不用考虑直流了

%直流被二极管分压了，直接看成直流消失，然后过原点的线性方程，可以成线性关系

弹幕助记：

%无法理解的话，Rd=△U/△I，把他画成等效电路是没有直流电源的，只有交流

%仔细体会一下小信号分析和叠加原理是不一样的，叠加原理只针对线性电路成立。小信号分析思路虽然和叠加原理很像，但是概念是完全不一样的

%用电路学的分析法，当交流直流同时存在，用叠加原理分开讨论

%iD表示直流交流一起的电流，id表示只有交流的电流，ID表示静态工作电流值

1.2.5 稳压二极管

一、特点

可以工作在反向击穿状态下

%反向击穿可以通过调节掺杂浓度从而调节击穿电压

%小于6v 齐纳击穿；大于6v 雪崩击穿

二、伏安特性

三、主要参数

温度系数α，稳定电压Uz

弹幕助记：

%<4V时，当温度升高时，电子热运动加剧，较小的反向电压就能把价电子从共价键中拉出来，所以温度上升时，击穿电压下降，也就是说，齐纳击穿具有负的温度系数
%温度越高，电子接受到能量越多，越容易被电压拉出来，所需要的电压就越小，稳压越容易被击穿
%>7V时，雪崩击穿为主，正的温度系数，因为雪崩击穿温度越高粒子越活跃，电子想要通过就越难

%雪崩需要加速温度越高晶格散射越强速度越不容易起来
%温度升高，晶格震动阻碍粒子加速，粒子平均自由程缩短，加速达到击穿所需速度概率降低

%T升高

雪崩击穿，粒子初速度增加而降低了加速时间，Uz升高
齐纳击穿，价电子更容易脱离共价键束缚，Uz降低

IR=（10-6）/200=20mA，IL=6/800=7.5mA，IDZ=12.5mA

%正常8V，但是因为稳压二极管最大6V

%如果，R与RL数值互换，即R=0.8k，RL=0.2k

IR=5mA，IL=30mA，IDZ=-25mA（U0=2V，稳压二极管没有击穿）

%老师说了第一步先假设二极管不导通，这是两个R是串连分压，U0=8V，UR=2V（此时是按R=0.2k，先把二极管所在的电路当成断路）

%老师的意思是将二极管视作截止，算出来的U0是8V,大于6V,反向击穿

%3V稳压二极管得到3V稳定电压，如果没有RL，满足；

如果有RL，分压（RL（eg.继电器）越小，分得电压越多）

%得到6V的电压源（稳定电压）

必须添加限流电阻

【06】双极晶体管的结构与放大原理

1.3 双极晶体管（BJT，Bipolar Junction Transistor，空穴和自由电子都参与导电）

1.3.1 结构及类型

一、构成方式

%发射区：多子浓度（掺杂）高（发射载流子），

集电区：面积大（收集载流子），

基区：掺杂浓度比较低，非常薄（控制）

二、结构

三个区域，三个电极，两个PN结（发射结；集电结）

1.3.2 电流放大作用

一、放大

（现象：Ic与Ib的比值近似一个常数β）

%其实这个放大，指的是把一个小电流的变化，注意是变化，复制到一个大电流上。让大电流的变化和小电流变化一样，也就是信号复制，能量等效放大，并不是电流真的莫名变大了。

二、基本共射放大电路

弹幕助记：

%共射是指输入的小信号和发射级共地

%Rb，限流电阻

%直流是基础，交流是目的

%《把1V的电源加在元器件两端的含义就是这个元器件两端的电压是1V》

%发射结指的是三极管的箭头代表的PN结。

%内电场是n到p，外电场是p到n，这时候从P指向N，所以是正向偏置

%发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大状态

%VCC>VBB，发射结正向导通，正向偏置（正偏）

%不用按老师那样看电位，直接看回路，和前面PN结正向导通反向导通是一个东西，正偏就是正向导通，反偏就是反向导通

%发射结看左边回路，是正向导通，集电结看整个大回路，一节电池与两节电池抵消一个，正极在上，反向导通，称反偏

%发射极接地是0v，基极极电位是VBB,集电极电位是VCC，其中基极电位大于大于发射极电位，故发射极正偏，由VCC大于VBB，有集电极大于基极，故集电极反偏，即当P端电位大于N端电位时，PN结导通

%因为电流方向，从p到n是正偏，从n到p是反偏。所以c到b是反偏、b到e是正偏

三、内部载流子的运动

1.发射结正偏

发射区的自由电子扩散到基区，基区的空穴（很少）扩散到集电区，IEN自由电子扩散，IEP空穴扩散，IEP+IEN≈IEN

%发射结正偏的后果是发射结正向导通了

%扩散到基区之后少部分被基区空穴复合，然后因集电结反偏造成漂移运动继续走向集电区

%发射区参杂浓度高，多子浓度高，基区参杂浓度低，且薄，多子浓度低。当他们同时发生扩散运动时，所产生的电流就是一个大一个小，所以IEP与IEN比较时，IEP可以近乎不计。

2.基区

扩散（向集电结，与浓度梯度有关）、复合、（基极）产生

%通常价带电子是满的，导带是空的，当价带电子跃迁到导带后形成一个空位，电流就是导带电子和价带电子之和，但价带所有电子可等效为一个空穴，这就是两种载流子。

%所说的自由电子就是导带电子，空穴是所有价带电子的等效

%非平衡少子比多子多，基区（自由电子作为非平衡少子向集电区漂移运动）

%可以把空穴比作河里的鳄鱼🐊，电子比作过河的角马🐎（基区制作要求：薄且掺杂浓度低，河窄且鳄鱼少，彼岸是集电区）

%鳄鱼把电子都咬到嘴里了，结果又被不讲理的vbb给拿走了。鳄鱼嘴里还是空的。（新产生的空穴是因为电子被吸引到Vbb的正极板了）

%书上写：基区被复合掉的空穴由外加电源拉走自由电子来补充

%基区的空穴可以说是ib提供的，所以当基区自己的空穴没了之后基区的空穴产生速度由ib决定，所以ib和ic能成比例

%自由电子到基区了，基区本来自由电子是少子，但是扩散的非平衡少子比它原来的多子还要多。自由电子聚集浓度特别高，继续向前扩散。经过基区，往集电极扩散；扩散的过程中，在基区必然发生复合；由于两点：基区薄且掺杂浓度低，目的就是让绝大多数的自由电子能扩散到集电极；基区的掺杂浓度和宽度决定了复合的百分比；但是，基区的整个掺杂浓度是不变的；由于复合百分比的固定，所以

3.集电区收集自由电子

%集电极反偏，增大少子的漂移运动，发射结的多子扩散到基区，变成基区的少子

%因为电子带负电，与电场力相反，会被电场力拉上去（ICBO）

%*集电区反偏保证扩散速度不变*（因为电子被VCC吸引）

%集电结正偏，没有势垒了，就跟没有pn结了一样（可能）

%IB=IBN(复合）+IEP(多子扩散）-ICBO(少子漂移）≈IBN

四、放大系数

1.共射直流放大系数

%这里是IBN而不是书上的IB'是因为IEP很小老师把IEP约了后面会说不懂不要误人子弟

2.ICEO：穿透电流

当基极开路的时候，发射极和集电极之间的电流

3.ICBO：反向电流

4.α共基

%阿尔法 $\alpha$ =Ic/Ie。其中Ic= $\beta$ *Ib，Ie=Ic+Ib=（1+ $\beta$ ）Ib，所以 $\alpha$ 等于 $\beta$ /（1+ $\beta$ ）

5.共射

6.共基

【07】BJT特性曲线共射（二极管的应用）

1.3.3 BJT共射特性曲线

一、输入特性

%横轴表示的是uBE，曲线标注的是uCE

%大于1V基本不变是因为此时集电结反偏电压已经将大部分电子捕获对基区的电流Ib基本忽略不计（影响很小）

%Vce足够大后，在相同Vbe下，基区绝大多数电子已被集电区收集

%曲线右移是因为uce增加使集电结吸引电子能力增加 ube相对减少如果达到相同电流效果需要更高电压

%Uce变大，微观上就是集电区从基区 “吸取”电子的能力变强

%如果要保持 ib 不变，就必须让更多的电子（空穴太少忽略不计）从发射区扩散至基区
%所以 Ube 要增大，使得更多的电子到达基区，从而保持 Ib 不变
%Uce增大，Ib不变，Ube增大：可以理解为Ube增大和Uce争电子，才能和原来保持一样。不然人家Uce太强了，夺走了本来属于你的东西，只有你变强，才能夺回来。）
%Ube的大小决定了发射机吸取电子的数量啊，这部分电子会有极小部分流向基极，产生ib

二、输出特性

研究的是iC和UCE之间的关系

有iB说明发射结正偏，关键在于集电结能否反偏

%这里是指UBE比UC高，UCE等于0，即UC=UB

%B比E高，然后CE一样高，所以B比C高，就成正偏了

%这里uce增大，ic不变原理和刚刚输入曲线的一样，uce再大集电极的电场足够强了，基极的非平衡少子被收集的速率达到饱和了，那电流ic就不会变化

截止区——穿透电流
饱和区，uCE非常小（集电结正偏）

%UCE=UCB+UBE，UCE很小，小到小于UBE，UCB正偏，管子工作在饱和区，PN结都正偏，相当于自由交通的状态
%共射的情况下，发射极接地，uce小于ube这样基区电势高于集电区电势，集电结从p向n正向导通，就是正偏
%uce很小，电压几乎都加在Rc上，所以电流几乎等于Vcc/Rc
%不是串联！串联两个二极管是反向的，是并联！

%这里原本就处于放大状态，集电结反偏，发射结正偏。结果ib不断增大，vb都比vc大了，这时候就集电结正偏了，就到饱和区了

%如何理解饱和区？

两个PN结都正偏，相当于内部是开通的，相当于导体、电阻

当集电结正偏了，它收集电子能力就没有了，集电结这里就是自由扩散

1.放大区

iB=β*iC

2.截止区

双结反偏，ce断路

3.饱和区

双结正偏，UCES，ce开关闭合，βIB>Icmax

%正偏，相当于外加正电场，削弱内电场作用（消除势垒），电子自由流动，相当于导通
%饱和就是IC一直增大，那uce必然减小，那C级电位就减小，本来集电结反偏是要C点电压比B点高的，C一直降低就会正偏，发射结和集电结都正偏三极管就好像导体，IC和IB已经没关系了
%这里随着Ib增大，Ic增大，Rc这个电阻分到的电压增大，因此Uce逐渐变小，直到pn节的正向导通压降，此时，集电结正偏，IIc达到饱和状态，大小由外电路决定。

1.3.4 主要参数

1.3.5 温度的影响

一、输入特性

温度升高，曲线左移

温度升高，让发射结正向压降降低，

%每升高一度，正向压降少 2~2.5 mV，每升10度，反向电流增加一倍

二、输出特性

1.3.6 光电耦合

1.3.7 光电三极管

【08】MOS管的工作原理

1.4 场效应管(FET，field effect transistor)

场效应管：结型场效应管和MOS管

基本原理：靠电场效应；几乎没电流，没功率付出；从控制回路上来说，消耗的功率非常小。输入电阻非常高；晶体三极管自由电子和空穴都在导电，受温度的影响比较大，有少子的参与；而场效应管只有多子参与导电，所以它的温度稳定性要好很多；在晶体三极管中靠分配电流。

1.4.1 结型场效应管

1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）

一、N沟道增强型MOS管

1.结构

g栅极（b）——控制，s源极（e）——载流子的源泉，d漏极（c）——载流子的漏出处，绝缘栅——省电

%源极漏极作用是一样的，用于沟道电流的接通；栅极的作用为电压控制沟道载流子浓度

2.工作原理

（1）uDS=0，uGS>0

%绝缘层二氧化硅在电场的作用下形成了电容，电容内部有从上向下的电场
%温故：耗尽层：PN区交界处空穴和电子复合，多子数量下降的区域，又称为空间电荷区

%N+表示注入浓度高
%FET可以等效为滑动变阻器，栅极作用（Vgs）是调这个电阻的大小，源漏（Vds）作用相当于在电阻上加电源

（2）UGS＜开启电压UGS（th），截止

UGS＞开启电压UGS（th），不变，UDS≠0，↑

%靠近源极处，栅极和沟道内个点电位差较大，电场强，感应出的电子更多，靠近D极，感应出的电子越少

%因为g，s电位不变，d电位升高，Ugd变小，对自由电子的吸引能力变差，自由电子变少，而Ugd的位置是在右侧，因此右侧变窄
%如果s处电势为0，则g处电势为GS，d处电压为DS。所以d和g的电势差为GS—DS

%UGS-UDS=UGS（th），预夹断
%没有电流以后沟道的电压就和衬底一样了，在ugs作用下又会打开沟道，所以不会真的夹断
%也可以这样理解，实际电压uDS是电源给的，电源一直存在，不可能出现uDS=0的情况,在这样的情况下要使iD=0，电阻就要无穷大，耗尽层的电阻显然不可能无穷大
%所以rDS只会非常大，电流只会非常小，沟道不可能夹断，而是有一条小缝通过电流，uDS的增大会减小电流，本质上是电阻增大，沟道会越来越窄，缝会越来越长
%如果还不明白，就是Ugd电压因为Uds的增大变为了负数，原本是吸引自由电子，现在变成了驱逐自由电子，载流子变少，电流变小，但它不可能赶走所有的自由电子，所以还是有小缝通过电流

%就是因为电压大了，通过的自由电子更多了，但因为右边缝隙增大，自由电子通过的空间变小，阻值就大了

%注：本图象的斜率是电导。电阻变小则电导变大，故图象斜率变大。

二、N沟道耗尽型MOS管

UGS（off）夹断电压

【09】结型场效应管和特性

%N型半导体里面多子是电子，中间的是N型半导体

%真夹断是针对在没有Uds的情况下天生沟道加Ugs到达某一个值id变0 预夹断是在针对Ugs和Uds共通作用下对id电流的影响
%这里只要记住:对于pn结来说，外加电压由p到n是正向，反之是反向，而反向电压会使pn结越来越厚，pn结单向导电。

1.4.3 场效应管的特性曲线与参数

一、转移曲线

（栅极型，条件：uDS足够大,恒流区）

二、参数

1.直流参数

UGS(th)、UGS(off)、IDSS、RGS(DC)

2.交流参数

（1）跨导（低频）

（2）极间电容（高频导通）