第1章 基本放大電路

1、半導體器件是用半導體材料制成的電子器件。常用的半導體器件有二極管、三極管、場效應晶體管等。半導體器件是構成各種電子電路最基本的元件。1.1.1 半導體的導電特征半導體的導電特征：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。室溫下，由于熱運動少數(shù)價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位這個空位稱為。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術中，將空穴看成帶正電荷的載流子。每個原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過緊密結合在一起。兩個相鄰原子共用一對電子。（與自由電子的運動不同）有了空穴，

2、鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。本征半導體中有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴熱激發(fā)產生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結合而成對消失，稱為。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。在純凈半導體硅或鍺中摻入磷、砷等5價元素，由于這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于存在多余的價電子而產生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數(shù)載流

3、子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡稱多子）空 穴少數(shù)載流子（簡稱少子）在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，由于這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡稱多子）空 穴少數(shù)載流子（簡稱少子）P 型半導體N 型半導體無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。摻入的雜質元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產生的，其數(shù)量的多少決定于溫度。u

4、半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為。在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為。u將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層 1.1.2 PN結及其單向導電性結及其單向導電性P 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū)PN 結及其內電場內電場方向P 區(qū) N 區(qū)載流子的擴散運動 多子擴散 形成空間電荷區(qū)產生內電場 少子漂移 擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結u外加正向電壓（也叫正向偏置）u外加電場與內電場方向相反，內電場削弱，擴散運動大大

5、超過漂移運動，N區(qū)電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結處于狀態(tài)?？臻g電荷區(qū)變窄E R內電場外電場PNIE R內電場外電場空間電荷區(qū)變寬PNIu外加反向電壓（也叫反向偏置）u外加電場與內電場方向相同，增強了內電場，多子擴散難以進行，少子在電場作用下形成反向電流，因為是少子漂移運動產生的，反向電流很小，這時稱PN結處于狀態(tài)。一個PN結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了半導體二極管，簡稱二極管。 半導體二極管按其結構不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。 點接觸型二極管PN結面積很小，結電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關元件。 面接觸型二極管

6、PN結面積大，結電容也小，多用在低頻整流電路中。陽極 陰極1.2.1 半導體二極管的結構半導體二極管的結構-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內電場對多子擴散的阻力，PN結仍處于截止狀態(tài) 。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流 隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。外加反向電壓時， PN結處于截止狀態(tài)，反向電流 很小。 反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。1.2.2 半導體二極管的伏安特性半導體二極管的伏安特性（1）最大整流電流IOM：指管子長期運行時，允許通過的最大

7、正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時的電壓值。（3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運行時允許承受的最大反向電壓（約為UB 的一半）。（4）最大反向電流IRM：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電性越好。（5）最高工作頻率fm：主要取決于PN結結電容的大小。：正向電阻為零，正向導通時為短路特性，正向壓降忽略不計；反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。1.2.3 半導體二極管的主要參數(shù)半導體二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ。反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ。工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。（3）動態(tài)電阻rZ。穩(wěn)

8、定工作范圍內，管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流IZM。額定功率PZ是在穩(wěn)壓管允許結溫下的最大功率損耗。最大穩(wěn)定電流IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。它們之間的關系是： PZ=UZIZM穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。陽極 陰極1.3.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管1.3.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管當發(fā)光二極管的PN結加上正向電壓時，電子與空穴復合過程以光的形式放出能量。不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同顏色的光。發(fā)光二極管具有亮度高、清晰度高、

9、電壓低（1.53V）、反應快、體積小、可靠性高、壽命長等特點，是一種很有用的半導體器件，常用于信號指示、數(shù)字和字符顯示。陽極 陰極 (a) (b)LEDLEDRE1.3.3 光電二極管光電二極管光電二極管的又稱為光敏二極管，其工作原理恰好與發(fā)光二極管相反。當光線照射到光電二極管的PN結時，能激發(fā)更多的電子，使之產生更多的電子空穴對，從而提高了少數(shù)載流子的濃度。在PN結兩端加反向電壓時反向電流會增加，所產生反向電流的大小與光的照度成正比，所以光電二極管正常工作時所加的電壓為反向電壓。為使光線能照射到PN結上，在光電二極管的管殼上設有一個小的通光窗口。陽極 陰極1.4.1 半導體三極管是由兩個背靠

10、背的PN結構成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導電，故又稱為，簡稱晶體管或三極管。 兩個PN結，把半導體分成三個區(qū)域。這三個區(qū)域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：和。集電結 B發(fā)射結NPN集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)CCEEB集電結 B發(fā)射結PNPCCEEB集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)NPN型PNP型箭頭方向表示發(fā)射結加正向電壓時的電流方向1.4.2 （1）產生放大作用的條件 內部：a）發(fā)射區(qū)雜質濃度基區(qū)集電區(qū) b）基區(qū)很薄 外部：發(fā)射結正偏，集電結反偏NPNICIEIBRBUBBUCCRC（2）三極管內部載流子的傳輸過程a）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流 i

11、Eb）電子在基區(qū)中的擴散與復合，形成基極電流 iBc）集電區(qū)收集擴散過來的電子，形成集電極電流 iC（3）電流分配關系： iE = iC + iB 實驗表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而有。IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。1.4.3 ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V測量三極管特性的實驗電路 三極管的輸入特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線與二極管類似4321I

12、B=003 6 9 12 UCE /V20A40A60A80A100A飽和區(qū)截止區(qū)放 大 區(qū)IC /mA輸出特性曲線輸出特性曲線（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結反向偏置）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結反向偏置BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCii（2）截止區(qū)：發(fā)射結反向偏置，集電結反向偏置）截止區(qū)：發(fā)射結反向偏置，集電結反向偏置 （3）飽和區(qū)：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置）飽和區(qū)：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置 此時此時 1.4.4 1、電流放大系數(shù)、電流放大系數(shù)：iC= iB2、極間反向電流、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO3、極

13、限參數(shù)、極限參數(shù) （1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 ICM： 下降到額定值下降到額定值的的2/3時所允許的最大集電極電流。時所允許的最大集電極電流。 （2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電基極開路時，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。極、發(fā)射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM 。 1.5.1 N 溝道P 型硅襯底N+N+源極 S 柵極 G 漏極 DSiO2絕緣層金屬鋁DSG襯底DSG襯底N 溝道絕緣柵型場效應管的結構N 溝道耗盡型場效應管的符號N 溝道增強型場效應管的符號 P 溝道N 型硅襯底P+P+源極 S 柵極 G

14、漏極 DSiO2絕緣層金屬鋁DSG襯底DSG襯底P 溝道絕緣柵型場效應管的結構P 溝道耗盡型場效應管的符號P 溝道增強型場效應管的符號：UGS=0時漏、源極之間已經(jīng)存在原始導電溝道。：UGS0才能在漏、源極之間形成導電溝道。無論是N溝道MOS管還是P溝道MOS管，都只有一種載流子導電，均為單極型電壓控制器件。MOS管的柵極電流幾乎為零，輸入電阻RGS很高1612 8 403 6 9 12 UDS/V2VUGS=0V放 大 區(qū)ID/mA(b) 漏極特性曲線4 2 0 2 4 UGS/VID/mAUGS(off)1612 8 4IDSS(a) 轉移特性曲線可變電阻區(qū)2VUDS=常數(shù)耗盡型場效應管存

15、在原始導電溝道，UGS=0時漏、源極之間就可以導電。這時在外加電壓UDS作用下的漏極電流稱為漏極飽和電流IDSS。UGS0時溝道內感應出的負電荷增多，溝道加寬，溝道電阻減小，ID增大。UGS0時會產生垂直于襯底表面的電場。P型襯底與絕緣層的界面將感應出負電荷層，UGS增加，負電荷數(shù)量增多，積累的負電荷足夠多時，兩個N+區(qū)溝通，形成導電溝道，漏、源極之間有ID出現(xiàn)。在一定的漏、源電壓UDS下，使管子由不導通轉為導通的臨界柵、源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。 UGS UGS(th)時，隨UGS的增加ID增大。按場效應管的工作情況可將漏極特性曲線分為兩個區(qū)域。在虛線左邊的區(qū)域內，漏、源電壓UDS相

16、對較小，漏極電流ID隨UDS的增加而增加，輸出電阻ro較小，且可以通過改變柵、源電壓UGS的大小來改變輸出電阻ro的阻值，這一區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。在虛線右邊的區(qū)域內，當柵、源電壓UGS為常數(shù)時，漏極電流ID幾乎不隨漏、源電壓UDS的變化而變化，特性曲線趨于與橫軸平行，輸出電阻ro很大，在柵、源電壓UGS增大時，漏極電流ID隨UGS線性增大，這一區(qū)域稱為放大區(qū)。常數(shù)DSGSDmUUIg綜上所述，場效應管的漏極電流ID受柵、源電壓UGS的控制，即ID隨UGS的變化而變化，所以場效應管是一種電壓控制器件。場效應管柵、源電壓UGS對漏極ID控制作用的大小用跨導gm表示：1.5.3 場效應管的主要參數(shù)除輸入電阻 RGS、漏極飽和電流 IDSS、夾斷電壓 UGS(off)和開啟電壓 UGS(th)外，還有以下重要參數(shù)：（1）跨導 gm。常數(shù)DSGSDmUUIggm表示場效應管柵、源電壓 UGS對漏極 ID控制作用的大小，單位是A/V或 mAV。（2）通態(tài)電阻。在確定的柵、源電壓 UG