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1.1 半导体基础知识

1. 本征半导体及其特点
　　纯净的半导体称为本征半导体。在热“激发”条件下，本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复合”时，也成对消失；电子和空穴都是载流子；温度越高，“电子—空穴”对越多；在室温下，“电子—空穴”对少，故电阻率大。
2. 掺杂半导体及其特点
（ 1 ） N 型半导体：在本征硅或锗中掺入适量五价元素形成 N 型半导体， N 型半导体中电子为多子，空穴为少子；电子的数目（掺杂 + 热激发） = 空穴的数目（热激发） + 正粒子数；半导体对外仍呈电中性。
（ 2 ） P 型半导体：在本征硅或锗中掺入适量三价元素，形成 P 型半导体，其空穴为多子，电子为少子；空穴的数目（掺杂 + 热激发） = 电子的数目（热激发） + 负粒子数；对外呈电中性。
在本征半导体中，掺入适量杂质元素，就可以形成大量的多子，所以掺杂半导体的电阻率小，导电能力强。
　　当 N 型半导体中再掺入更高密度的三价杂质元素，可转型为 P 型半导体；反之， P 型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为 N 型半导体。
3. 半导体中的两种电流
（ 1 ）漂移电流：在电场作用下，载流子定向运动所形成的电流则称为漂移电流。
（ 2 ）扩散电流：同一种载流子从浓度高处向浓度低处扩散所形成的电流为扩散电流。
4. PN 结的形成
　　通过一定的工艺，在同一块半导体基片的一边掺杂成 P 型，另一边掺杂成 N 型， P 型和 N 型的交界面处会形成 PN 结。
　　P 区和 N 区中的载流子存在一定的浓度差，浓度差使多子向另一边扩散，从而产生了空间电荷和内电场；内电场将阻多子止扩散而促进少子漂移；当扩散与漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷层（或势垒区、耗尽层），即 PN 结形成。
5. PN 结的单向导电性
　　PN 结正向偏置时，空间电荷层变窄，内电场变弱，扩散大于漂移，正向电流很大（多子扩散形成）， PN 结呈现为低电阻，称为正向导通。正向压降很小，且随温度上升而减小。
　　PN 结反向偏置时，空间电荷层变宽，内电场增强，漂移大于扩散，反向电流很小（少子漂移形成）， PN 结呈现为高电阻，称为反向截止。反偏电压在一定范围内，反向电流基本不变（也称为反向饱和电流），且随温度上升而增大。
6. PN 结的电容特性
（1）势垒电容CB：当外加在PN结两端的电压发生变化时，空间电荷层中的电荷量会发生变化，这一现象是一种电容效应，称为势垒电容。CB是非线性电容。
（2）扩散电容CD：当PN结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界附近有积累，并会有一定的浓度梯度。积累的电荷量也会随外加电压变化，引起电容效应，称为扩散电容。CD也是非线性电容。
1. 晶体管的结构及类型
晶体管有双极型和单极型两种，通常把双极型晶体管简称为晶体管，而单极型晶体管简称场效应管。
晶体管是半导体器件，它由掺杂类型和浓度不同的三个区（发射区、基区和集电区）形成的两个PN结（发射结和集电结）组成，分别从三个区引出三个电极（发射极e、基极b和集电极c）。
晶体管根据掺杂类型不同，可分为NPN型和PNP型两种；根据使用的半导体材料不同 ，又可分为硅管和锗管两类。
晶体管内部结构的特点是发射区的掺杂浓度远远高于基区掺杂浓度，并且基区很薄，集电结的面积比发射结面积大。这是晶体管具有放大能力的内部条件。
2. 电流分配与放大作用
晶体管具有放大能力的外部条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。在这种偏置条件下，发射区的多数载流子扩散到基区后，只有极少部分在基区被复合，绝大多数会被集电区收集后形成集电极电流。通过改变发射结两端的电压，可以达到控制集电极电流的目的。
晶体管的电流分配关系如下：

其中电流放大系数和之间的关系是=/(1＋)，=/（1－）；ICBO 是集电结反向饱和电流，ICEO是基极开路时集电极和发射极之间的穿透电流，并且ICEO=(1＋)ICBO。
在放大电路中，通过改变UBE，改变IB或IE，由ΔIB或ΔIE产生ΔIC，再通过集电极电阻RC，把电流的控制作用转化为电压的控制作用，产生ΔUO=ΔICRC。实质上，这种控制作用就是放大作用。
3. 晶体管的工作状态
当给晶体管的两个PN结分别施加不同的直流偏置时，晶体管会有放大、饱和和截止三种不同的工作状态。这几种工作状态的偏置条件及其特点如表2.1所列。
表2.1 晶体管的三种工作状态
工作状态
直流偏置条件
各电极之间的电位关系
特点
NPN
PNP
放大
发射结正偏，集电结反偏
UC>UB>UE
UC<UB<UE
IC =βIB
饱和
发射结正偏，集电结正偏
UB >UE ，UB >UC
UB <UE ，UB <UC
UCE=UCES
截止
发射结反偏，集电结反偏
UB <UE， UB <UC
UB >UE ，UB >UC
IC=0
4. 伏安特性及主要参数
（1）共射极输入特性（以NPN管为例）
输入特性表达式为：。当UCE=0时，输入特性相当于两个并联二极管的正向特性。当UCE>0时，输入特性右移，UCE≥1V后输入特性基本重合。因为发射结正偏，晶体管的输入特性类似于二极管的正向伏安特性。
（2）共射极输出特性（以NPN管为例）
共射极输出特性表达式为：。晶体管输出特性曲线的三个区域对应于晶体管的三个工作状态（饱和、放大和截止）。
a）饱和区：此时UCE很小，集电区收集载流子的能力很弱。IC主要取决于UCE，而与IB关系不大。
b）放大区：位于特性曲线近似水平的部分。此时，IC主要取决于IB，而与UCE几乎无关。
c）截止区：位于IB=－ICBO的输出特性曲线与横轴之间的区域。此时，IC几乎为零。
（3）主要参数
a）直流参数：共基极直流电流放大系数，共射极直流电流放大系数；集电极—基极间反向饱和电流ICBO，集电极—发射极间穿透电流ICEO 。
b）交流参数：共基极交流电流放大系数，共射极交流电流放大系数，其中，；共基极截止频率，共射极截止频率，特征频率，其中。
c）极限参数：集电极最大允许功率耗散PCM，集电极最大允许电流ICM ；反向击穿电压：U（BR）CEO，U（BR）EBO，U（BR）CBO。
（4）温度对参数的影响
温度每增加1℃，UBE将减小 (2~2.5)mV；温度每增加10℃左右， ICBO增加一倍；温度每增加1℃，β增大（0.5～1）%。

场效应管
1. 场效应管的结构与类型
场效应管是一种半导体器件，与第二章介绍的晶体管类似，器件内部也有两个PN结，器件外部也有三个电极（源极s、栅极g和漏极d）。
场效应管按照结构和控制电场的形式，有结型和绝缘栅型两大类型。结型的栅极与硅材料直接接触，控制电场是PN结的内电场；绝缘栅型的栅极与硅材料之间隔有绝缘层（SiO2），不直接接触，控制电场是外电压产生的表面电场。
场效应管按照工作方式，有耗尽型和增强型之分。耗尽型：在外加电压为零时，管内有固定的导电沟道，随外加电压的绝对值增大，导电沟道逐渐消失（耗尽）；增强型：在外加电压为零时，管内没有导电沟道，当外加电压的绝对值增大到一定程度后，导电沟道逐渐形成（增强）。
场效应管按照导电沟道的掺杂类型，有N沟道和P沟道。两者的外加电压极性相反。

2. 场效应管的工作原理
学习场效应管的工作原理时应正确理解以下几个概念：
a）控制漏极电流的基本原理
场效应管的导电沟道是一个可变电阻，外加电压改变导电沟道的几何尺寸，以改变导电沟道电阻的大小，从而达到控制漏极电流的目的。
b）外加电压对导电沟道的影响
当漏源电压等于零时，栅源电压变化，导电沟道处处宽度相等；当漏源电压不等于零时，导电沟道呈楔状，靠近漏极处沟道较窄。
c）夹断电压和开启电压
对耗尽型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就消失——称为夹断，把这一状态时的栅源电压称为夹断电压。N沟道<0，P沟道>0。
对增强型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就出现——称为开启，把这一状态时的栅源电压称为开启电压。N沟道>0，P沟道<0。
d）预夹断和全夹断
预夹断——当一定，增大到一定大小时，漏极端的沟道开始夹断。
全夹断——导电沟道从源极端到漏极端全部夹断，漏极电流为零。
e）预夹断前后的导电情况
预夹断前，漏源极之间电压变化，漏极电流随之变化，类似电阻。当栅源极之间电压不同时，漏源极之间的等效电阻不同，称为“可变电阻区”。
预夹断后，漏源极之间电压变化，漏极电流近似等于常数。因为数值增大，夹断区由漏极向源极延伸，沟道电阻增大，使数值的增加为沟道压降的增加抵消，漏极电流基本不变，称为“恒流区”。但是，对应于不同的，漏极电流的恒值不同。也就是说，对漏极电流有控制作用，所以又称为“放大区”。
3. 场效应管的特性
各种不同类型场效应管的特性如表3.1所列。
表3.1各种场效应管的特性
4. 场效应管的主要参数
a）直流参数：开启电压，夹断电压；零偏漏极电流IDSS；。
b）交流参数：跨导gm（也称为互导），它是管子在保持UDS一定时，漏极电流微变量与栅极电压微变量的比值；极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、漏源电容Cds。
c）极限参数：漏极最大允许耗散功率PDSM它相当于双极型晶体管的PCM；最大漏极电流IDSM是管子在工作时允许的漏极电流最大值，相当于双极型晶体管的ICM ；栅源击穿电压U（BR）GS ；漏源击穿电压U（BR）DS。
. 场效应管的微变等效电路
场效应管的微变等效电路如图3.1所示。
6．场效应管与晶体管的比较
（1）导电机理
场效应管利用多子导电，而晶体管则利用多子和少子导电。
（2）结构对称性
场效应管的结构具有对称性，如果绝缘栅型管的衬底在电路内部事先不与源极相连，场效应管的源极和漏极可以互换。而晶体管的结构不对称，集电极与发射极是不能互换的。
（3）控制方式
场效应管工作在放大状态时，漏极电流基本上只随栅源极间电压的变化而变化。所以，常称其为电压控制型器件。
晶体管工作在放大状态时，集电极电流基本上只随基极电流的变化而变化，习惯上称其为电流控制型器件。但基极电流又受基极与发射极间电压的控制，实质上仍然是电压控制型器件。
（4）直流输入电阻
场效应管的直流输入电阻大（结型：一般大于，绝缘栅型：一般大于）；而晶体管直流输入电阻较小（发射结正偏）。
（5）稳定性及噪声
场效应管具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声性能；晶体管则受温度和辐射的影响较大，这些都与导电机理有关。
（6）放大能力
场效应管因跨导较小，而放大能力较弱；晶体管因电流放大系数较大而放大能力较强。

. 集成电路中元器件的特点
由于集成电路是利用半导体生产工艺把整个电路的元器件制作在同一块硅基片上，与分立元件电路相比，集成电路中的元件有如下特点：
（1）相邻元器件的特性一致性好；
（2）用有源器件代替无源器件；
（3）二极管大多由三极管构成；
（4）只能制作小容量的电容器。
2. 集成运放的典型结构
集成运算放大器是一种高增益的直接耦合多级放大电路，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，其典型结构如图4.1所示。

一般要求输入级的输入电阻大、失调和零漂小；中间级的电压放大倍数大；输出级的输出电阻小、带负载能力强；偏置电路为各级提供稳定的偏置电流。
通常输入级采用差分放大电路；中间级采用共射放大电路；输出级采用互补推挽乙类放大电路；偏置电路采用电流源电路。

6.1运算电路的分析方法

由于运算放大器的增益很高，引入负反馈后很容易满足深度负反馈条件，可实现性能优越的各种数学运算电路。为了突出基本概念，减少复杂的计算，在分析各种运算电路时，将集成运放视为理想器件。
1．理想运放的特性
和都趋向无限大，并且、、和均等于零，其它参数也不考虑，这就是理想运算放大器。
2．运放的工作状态
在运算电路中，由于电路引入深度负反馈，运放工作在线性状态。当输入信号过大时，输出信号受直流电源电压的限制，将会出现非线性失真。
3．虚短、虚断和虚地
对于工作在线性区的运放，下述两条重要结论普遍适用，也是分析运放应用电路的基本出发点。
虚短——运放两个输入端之间的电压差近似等于零。
虚断——流入运放输入端的电流近似等于零。
当信号从反相输入端输入，且同相输入端的电位等于零时，“虚短”的结论可引深为反相输端为“虚地”的结论。
4．分析计算方法
对纯电阻和运放组成的电路，利用虚短和虚断的结论和求解线性电路的方法，直接求解输出与输入的关系。
对于含有电容和电感的复杂运算电路，可运用拉氏变换，先求出电路的传递函数，再进行拉氏反变换后得出输出与输入的函数关系。