模拟电路

绪论

• 1.电子管
• 2.晶体管
• 3.第一台计算机

常用半导体器件

基础知识

本征半导体

一、半导体

1. 概念：半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的材料
2. 本征半导体：纯净的具有晶体结果的半导体

二、本征半导体的晶体结构

• 价电子导不了电，只有自由电子才导得了电

三、载流子

1. 本征激发

2. 自由电子

• 在化学物质结构中，元素的原子存在基态和激发态

• 基态原子是原子外电子排布能量最小的一种排布，当电子获得一定的能量，就会发生轨道跃迁，原子便从基态变为激发态。

• 当电子获得足够能量就会从原子轨道脱离形成自由电子。

2. 空穴

• 在半导体结构中硅原子与硅原子之间形成共用电子对也就是（共价键），当获得能量的时候电子脱离轨道，形成自由电子。而共价键里面就缺了一个电子形成了空穴

• 空穴的相对移动：在外加电场的作用下，处于形成电子对中的一个原子会被吸引到空穴中，这时该电子补充了空穴，但是在该电子原来的位置上又形成了空穴。按此重复，空穴就相对移动了。

3. 复合

• 自由电子在半导体内部自由运动，有一定的概率会运动到空穴里面，当自由电子与空穴结合后，自由电子就不再是自由电子了，而变成了共价键（电子对）。这个自由电子消失的过程就是复合。

• 本征激发和复合的速度还有温度决定了载流子的浓度

四、载流子的浓度

杂质半导体

一、概念

• 掺入少量的杂质元素

二、N(negative)型半导体

1. 掺入磷 P

2. 多子

3. 少子

三、P（positive）型半导体

1. 掺入硼 B

PN结

一、PN结的形成

1. 扩散运动
2. 空间电荷区：耗尽层、阻挡层、PN结
3. 漂移运动
4. 对称结、不对称结

二、PN结单向导电性

1. 外加正向电压
2. 死区
3. 反向饱和电流

三、PN结的电流方程

$i = I_s(e^{U/U_T}-1)$

$Is是反向电流, U_T是一个温度当量$

$室温下U_T=26毫伏$

$U是PN上所加的电压$

• 一般来说PN结的导通电压 锗管是0.2——0.3V，硅管是0.6——0.7

• 下图为PN结伏安特性的理想图像

• 下图为PN结伏安特性的实际图像

​ 为什么在制作N型半导体时掺杂五价原子？而不是掺杂六价原子甚至七价原子，不是自由电子更多吗？

四、PN结的伏安特性

1. 正向特性

​ 死区：是伏安图像上的电压区间，而不是PN结里面的电场区域

2. 反向特性

​ 反向饱和电流锗管的PN结比硅管的PN结大得多

当外加的反向电压足够大时，会出现反向电流的增大，这个现象就称为反向击穿

3. 反向击穿（两种）

• 雪崩击穿：温度越高，雪崩击穿所需的击穿电压越高
• 齐纳击穿：温度越高，齐纳击穿所需的击穿电压越低
• 注意：PN结坏并不是因为反向击穿，而是因为反向击穿使得二极管温度升高，高温度使得PN结成为导体或者被熔断了，因此PN结能使用在方向击穿中，但是不能使得PN结温度过高，这样就会导致热击穿（使得半导体损坏）
• 利用反向击穿特性就可以制作成稳压二极管
• 热击穿（二次击穿）

五、PN结的电容效应

1. 势垒电容（非线性电容）

• 可以做可变电容

2. 扩散电容

• 由非平衡少子和电压之间的关系构成的

半导体二极管

常见结构

• 图c的结构用于集成电路

伏安特性

一、伏安特性

1. 由于体电阻（由于半导体是被封装的PN结，而被封装的外壳是有电阻的，这个电阻就被称为体电阻）的存在，使得在相同的电压下，二极管的电流比PN结小
2. 反向的电流大一些

二、温度的影响

1. 温度T升高，二极管的伏安特性曲线正向电压部分往左移，反向电压部分往下移。（即死区电压会减小，反向电流会增大）

• 原因： 当温度升高的时候，分子热运动变强，电子的热激发也变强，使得自由电子更多，同样的空穴也会增多。

• 当处在不同温度下的俩个相同二极管，接通相同的电压，由于温度高的二极管多子（在P极多子就是正电子，N极多子就是电子）的数目变多，被正向电压发射出去的自由电子也变多，电流就会增大。

• 同样的，当接入相同的反向电压时，少子增多会导致被发射出去的少子也增多，反向电流也就增大了

2. 室温下，每升高1℃，正向压降减小2-2.5mv。每升高10℃，反向电流增大一倍

• 二极管的正向具有稳压和钳制电位的作用，二极管的反向可以作为温度传感器（非常便宜）还可以作为稳压二极管

二极管的主要参数

一、最大整流电流

$I_F$

• 定义：二极管长期工作时，所能够通过的正向平均电流的最大值

二、 最高反向工作电压

$U_R$

三、未击穿时的反向电流

$I_R$

$I_R越小反向截止的特性越小$

四、最高工作频率

$f_M$

二极管的等效电路

二极管的电阻是非线性电阻，因此人们往往将这种非线元件等效成一个线性元件来表述出来，放大电路的微变等效电路正是如此

一、等效电路

两种档次：

• 在一定条件下他们的外特性等效，电压和电流输出的关系近视等效
• 根据二极管的原理，把二极管的每一步分用线性原件等效出来，这样的等效出来的结果与二极管的真实数值更接近

二、伏安特性折线化

• 适用于二极管在直流电路的等效分析

• 二极管的整流

三、二极管的微变等效

$r_d=U_T/I_D$

推导过程：

$i_D=I_s(e^{U/U_T}-1)$

$\Delta U_D/\Delta i_D = r_d$

先进行静态分析，将交流电压源置零（当做导线）

此时

$I_d = (V-U_{ON})/R$

$r_d=U_T/I_D$

从而将二极管等效为一个电阻进行普通电路的分析

• 二极管的微变等效电阻本质上是用直流电流与二极管等效一个电阻，微变等效电阻出来后，进行动态分析的时候，直流电源要置零。
• 类似与叠加原理（但不完全等同，叠加定理是应用于线性网络的）

分析一个二极管上面交流的响应必须分为两步骤

1. 必须知道二极管是工作在怎样的一个直流环境下，直流将决定后面交流的这种变化，决定了交流的响应

2. 分析交流电路（动态分析）

稳压二极管

一、特点：在反向击穿后，在很大一个电流变化范围内，它的输出电压变化很小（近似与不变）

• 反向击穿是可逆的（二极管可以恢复到原来的状态）
• 热击穿是不可逆的（巨大的热量使得二极管熔断或者变成导体）
• 稳压二极管的分装与普通二极管不同，该封装要容易散热

二、伏安特性

三、主要参数

1. 温度系数

$\alpha$

温度每变化1℃，稳定电压的变化量

以

双极晶体管（BJT）（半导体三极管）

结构及类型

一、构成方式

二、结构：三个区域、三个电极、两个PN结

电流放大作用

一、放大

通过控制能量的新的一个变化，来实现这种放大，放大绝对不能失真

电流放大倍数

$\beta$

二、基本共射放大电路

正向偏置（正向导通）

反向偏置（反向导通）

三、内部载流子的运动

1. 发射结正偏

发射区的自由电子向基区扩散

$由于I_{EP}远小于I_{EN},I_{EP}近似忽略不计$

2. 基区——扩散、复合、产生

N区扩散过来的非平衡少子，比P区的多子还要多，此时N区扩散的少子就会继续前进到集电结

3. 基电区收集自由电子

四、放大系数

1. 共射的直流放大倍数

交流电流放大倍数（数值与直流放大倍数相近）

2. 穿透电流

$I_{CEO}$

3. 反向电流

$I_{CBO}$

4. 共基

基本放大电路

放大电路的构成

放大的概念

放大是放大功率，进来的是小电压小电流，而出去的是大电压和大电流

一、特征：功率的放大

二、本质：能量在控制下的转换，放大电路一定是有外界电源提供能量。

三、必要条件：有能量控制的元件，有源元件。

四、放大的前提条件：不失真

五、测试信号：正弦波

怎样构建基本放大电路

一、目标：小功率信号变成大功率

二、条件：1.元件 2. 电源

三、技术路线（理解为什么这么设计，先想如何设计）

1. 三极管：工作在放大状态
2. 小信号

$控制i_B(U_{BE})$

3. 合理的输出

四、放大电路

1. 直接耦合

2. 阻容耦合：电容的作用隔直流，通交流

对电容也有要求，容量比较大的电解电容（有正负极）

五、工作原理

分立器件

集成器件