模拟电路第一章知识点总结

第一章半导体物理基础
一、半导体基础知识
半导体是电子电路元器件的主要材料，其导电性能介于导体与绝缘体之间，具有特殊的导电性质。

1.本征半导体
本征半导体是完全纯净、结构完整的半导体晶体。

2.杂质半导体
杂质半导体是掺入杂质元素的半导体。

价电子数多于半导体元素的杂质称为施主杂质，少于半导体元素的杂质称为受主杂质，相应的元素分别称为施主元素与受主元素。

掺入施主杂质的杂质半导体称为电子型半导体或N型半导体，掺入受主杂质的杂质半导体称为空穴型半导体或P型半导体。

杂质半导体中数量多的那种载流子称为多子，另一种数量少的载流子称为少子，N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子，P型半导体中自由电子是少子，空穴是多子。

3.载流子在半导体中的运动
载流子在半导体中有两种运动方式，漂移运动和扩散运动。

漂移运动是载流子在外加电场力作用下沿电场方向的定向运动，由漂移运动产生的电流叫漂移电流。

漂移电流等于空穴与自由电子运动产生的电流之和。

扩散运动是载流子在浓度差的作用下产生的定向运动，由扩散运动产生的电流叫扩散电流。

二、PN结
1.PN结的形成过程
N型半导体和P型半导体的交界面处会产生PN结。

其形成机理为：P型区到N型区的过渡带两边浓度差很大，形成的扩散运动使过渡区域产生强烈的复合作用，产生一个空间电荷区，也叫耗尽区，扩散运动使过渡带内产生电位差和电场，称为接触电位差和内建电场，内建电场由N型区指向P型区，阻碍多子的扩散运动，促进过渡带中少子的漂移运动，当两者速度相等达到平衡状态后，过渡带中的接触电位差、内建电场强度、空间电荷区宽度均处于稳定值，PN结形成。

P、N的过渡带称为PN结，其宽度等于耗尽区的宽度。

2.PN结的伏安特性
PN结的正偏（正向偏置）是指两端电压正极接在P区，负极接在N区，反之则称为反偏（反向偏置）。

正偏时PN结中会有较大的正向电流，且随着正偏电压增大迅速增大，一般认为正偏时PN是导通的，电阻很小。

反偏时PN结中只有很小的反向电流通过，在很大范围内随着反偏电压增大，反向电流变化不明显，具有与少子浓度关系较大的反向饱和电流，其数值很小，一般认为PN结在反偏下截止，电阻无穷大，相当于绝缘体，可以等效为电容，称为结电容。

当反偏大到一定数值时，PN结中的电流会突然增大，此时PN结被击穿。

击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿。

当PN结因电流电压过大产生的热量烧毁时称为热击穿。

图1 PN结的伏安特性
3.PN 结和半导体二极管
在PN 结的两端引出两根金属导线作为电极就构成了半导体二极管，这两根导线也叫欧姆接触电极。

二极管按制作结构可分为点接触型和面接触型，分别适用于高频小电流和低频大电流。

二极管的伏安特性呈非线性，其电阻非定值，把二极管伏安特性曲线上各点的电压和对应电流的比值定义为二极管的等效直流电阻。

为描述二极管在交流电压下的电阻特性，定义二极管的交流（动态）电阻为：对于选定的直流工作点Q 点，二极管在Q 点的交流电阻定义为Q 点附近二极管两端电压变化和电流变化的比值，可以用静态电流来估算。

高频时二极管的结电容不可忽略。

二极管的结电容包括势垒电容和扩散电容。

利用势垒电容可以制成变容二极管，相当于电压控制的可变电容器。

二极管正向压降和反向饱和电流均随温度变化而有较大变化，可用于制作温度传感器。

此外二极管还有最大正向电流、反向击穿电压、反向电流、最高工作频率等参数。

特殊功能的二极管包括反向击穿状态工作的稳压二极管、利用砷化镓或磷化镓等材料制成的发光二极管以及反偏状态感光的光电二极管等。

二极管的伏安特性呈非线性，所以二极管的电阻不是一个定值，如下图，我们把二极管伏安特性曲线上各点的电压V D 和对应的电流I D 的比值定义为二极管的等效直流电阻R D ，即：
D D
D
V R
I
图 二极管的电阻
另外为了描述二极管在交流电压下的电阻特性，还定义了二极管的交流(动态)电阻（分别用解析法和图解法求解）r d ,在伏安特性曲线上如果选定Q 点为直流工作点（也叫静态工作点），Q 点的坐标为（V D ，I D ），则二极管在Q 点的交流电阻r d 定义为：
22D D d D D
Q dv v r di i ⎛⎫
=≈ ⎪ ⎪
⎝⎭
三、双极型晶体管（BJT ） 1.双极型晶体管的结构和制造工艺
双极型晶体管是在一块半导体中制作三个杂质半导体区，并且排列成NPN 或者PNP 的形式，具有两个PN 结，三个电极的元器件，也叫三极管。

其三个杂质半导体区分别称为发射区（E ）、基区（B ）、集电区（C ），基区位于发射区和集电区之间，分别形成发射结（EB 结）和集电结（CB 结），其各自引出的电极称为发射极（E 极）、基极（B 极）、集电极（C 极）。

2.双极型晶体管的工作原理
三极管在电路中能够对信号起放大作用，在共基极状态时，发射结正偏，集电结反偏，多子通过发射结注入，载流子在基区内扩散与复合，集电极收集载流子，形成集电极电流。

i i En
Cn =α，i i B Cn 1=β分别被定义为共基电流放大系数和共射电
流放大系数，其中i En 为发射极的电流，i B1为基极电流，i Cn 为集电极电流。

基极开路时，有一大小为(β+1)I CBO 的电流流过发射极和集电极，称为穿透电流，用符号I CEO 表示，随温度升高迅速增大，使三极管温度稳定性变差。

共射三极管的输出特性曲线如下图所示：
截止区：集电结和发射结都反偏，i E =0，i B =-I CBO 。

击穿区：输出特性上的击穿都是集电结雪崩击穿。

饱和区：集电结和发射结都正偏。

放大区：发射结合适正偏、集电结反偏。

3.双极型晶体管的器件模型
基区宽度调制效应：当v CE 增加时引起i C 增加，从而使输出特性斜升。

厄尔利电压V A 是描述共射BJT 基区宽度调制效应的参数，其典型值为100V 。

三极管的主要特性参数包括：电流增益α或β，有关系α
α
β－1=
；极间反向
电流I CBO ，I CBO 越大工作稳定性越差；极限参数，包括集电极最大允许电流、功耗，反向击穿电压；频率参数，特征频率ƒT ，使β(j ω)的幅值下降到1时所对应频率。

三极管的小信号等效电路的主要参数包括：输入电阻r be b m
v i g πβ=
=，跨导C m T
I g V ≈
，其中室温T=300K 时，V T =26mV ，输出电阻A ce C V
r I =，反偏集电结动态
电阻ce r r μβ=，等效电路图如下图：
CE (V)
I CBO
B
C
E
E
三极管的特征频率12C T T I f V C C πμπ=+，截止频率1
2()
f r C C βππμπ=+。

四、场效应管（FET ）和金属氧化物场效应晶体管（MOSFET ）
场效应晶体管（Field Effect Transistor 缩写(FET)）简称场效应管，属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

场效应管分结型、绝缘栅型两大类。

按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型又分N 沟道和P 沟道两种。

若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。

结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。

金属—氧化物—半导体场效应晶体管简称MOS 管，具有源极S 、漏极D 和栅极G 。

1. MOS 管符号，小信号等效模型，转移特性曲线，输出特性曲线（书P49-50）
例如：MOS 增强型管的符号、等效电路、转移特性曲线、输出特性曲线。

NMOS PMOS NMOS PMOS
G
G
G
D
D
D S
S S
B
V >V >V >V
GS
I D
2 .基本CMOS放大器的电路和原理
V
DD
以NMOS和PMOS组成的互补放大器称为CMOS放大器。