绪论

由于听说模电难度很大，且有实验课配套，故特地为其创立文集。

分配的老师不尽人意，乃转向郑益慧老师的网课，并在此记录和整理。

基于历史顺序的教材编写和课程安排。三种晶体管（二极管 三极管 场效应管）$\rightarrow$三种管的基本应用，即放大电路$\rightarrow$ 要做得更小，故有集成运算放大电路$\rightarrow$分析放大电路的响应和反馈（负反馈）$\rightarrow$实际应用，即信号的处理、转换，功率放大电路和直流电源

第一章 常用半导体器件

基础知识

本征半导体

概念：纯净的，具有晶体结构的半导体

晶体结构：正四面体结构

本征激发：有价电子从正四面体中脱出，变成自由电子，脱出地称为空穴

另外位置的电子受电场力作用填补该处空穴，并形成新的空穴，以此形成了空穴在电场方向上的移动。本征激发越多，导电能力越好。

复合：自由电子撞到空穴中，产生湮灭，称为共价键的价电子

本征激发、复合的速度，即温度会影响载流子浓度，进而影响导电性。但是提高得不多，所以需要加入杂质

杂质半导体

N型半导体（掺入P）

掺入少量Phosphor，使其也混在正四面体结构里面，由于其为五价，会多出一个自由电子，从而大大增加导电性。自由电子是多子，空穴是少子。自由电子是主要的载流子，由于其带负电，故称为N（Negative）型半导体。磷原子此时被称为施主原子

增加杂质后，前面提到的温度对导电性的影响相对变得微乎其微，故让CPU很热并不能让它更快。在这种情况下，温度不怎么影响多子，但是依然影响少子。

P型半导体（掺入B）

掺入的是硼，其他的和前面反过来即可

PN结

PN结的形成

如图是把P和N半导体放在一起，在交界处会不断打架并且湮灭，最终形成一个空间电荷区（耗尽层，阻挡层），称为PN结。PN结会成为一个势能垒，在外的电子难以翻越。

漂移运动：能垒对少子来说就是坑。最终多子的扩散运动与少子的漂移运动形成动态平衡。

对称结：两边载流子浓度一样，能垒斜率相反数。不对称结，反过来。

PN结的单向导电性

给正向电压相当于削低能垒，低于多子的能量，于是多子开始工作，便导通

给反向电压相当于让坑更深，少子更容易通过，但是少子毕竟是少子，所以截止

PN结的电流方程

方程：

$$i=I_S(e^{\frac{U}{U_T}}-1)$$

室温下，$U_T$约为26mV，而对Ge，U=0.2~0.3V，对Si，U=0.6~0.7V，故导通时“-1”几乎可以忽略，为指数关系。

PN结的伏安特性

正向特性：死区，导通区

反向特性：反向饱和区（锗管的饱和电流远大于硅管），反向击穿区

反向击穿-雪崩击穿（掺杂浓度低时）

反向电压足够大，加速电子撞击共价键使其断裂。掺杂浓度低，所以PN结长，所以撞击概率高。

反向击穿-齐纳击穿（掺杂浓度高时）

反向电压足够大，直接把电子从共价键中拉出来。掺杂浓度高，所以PN结短，电压增加时，电场强度增加得尤其快。但由于PN结窄，撞击概率不高。

击穿之后，由于过量发热，PN结很可能会损坏。但是控制温度，即可实现在反向击穿状态工作（稳压二极管）

温度越高，越难雪崩击穿，越容易齐纳击穿

一般6V以下齐纳击穿多，以上雪崩击穿多

PN结的电容效应

势垒电容：反向导通

扩散电容：正向导通

什么玩意？什么是电容效应？

但是不影响我赋高分

半导体二极管

伏安特性

和PN结几乎一样，区别：

1. 由于体电阻的存在，相同正向电压下，电流更小
2. 由于封装漏电，反向电流更大

温度的影响

温度升高，整个I-U图像向I轴收缩（正向向左，反向向下）

室温下，每上升1℃，正向压降减小2-2.5mV；每上升10℃，反向电流增大一倍

可以据此制作极其廉价的温度传感器

二极管的主要参数

1. $I_F$，二极管长期使用时的最大电流值
2. $U_R$，最高反向工作电压（要小于反向击穿电压），大约是$U_{BR}$的50%
3. $I_R$，反向饱和电流，越小，反向截止特性越好
4. $f_M$，最高工作频率，过高就变成$\frac1{j\omega C}$了

二极管的等效电路

二极管的简单等效

等效电路：用线性元件近似，伏安特性折线化

以下是三种直流电路中的拟合模型：

其中，中间不贯穿的二极管是理想二极管的符号。最常用的是中间这种。

二极管的微变等效

用直流环境确定$I_D$，进而推出二极管在该点处的$r_D$，二极管于是等效为一个阻值为$r_D$的纯电阻，用该纯电阻进行交流部分的分析。注意进行交流部分的分析时需要忽略电路中的直流源，之后再加回来。类似电路理论的正弦稳态电路分析方法。

其中，等效电阻的计算公式为

$$r_D=\frac{\Delta u_D}{\Delta i_D}=\frac{U_T}{I_D}$$

即导数。

稳压二极管

散热更好的二极管，可以在反向击穿区域稳定工作

伏安特性曲线形状和普通二极管完全一致

双向稳压二极管：两个背靠背的稳压二极管，三种情况（A导通B击穿，B稳压；AB截止；B导通A击穿，A稳压）

主要参数：温度系数$\alpha$（稳定电压受温度的影响程度），稳定电压$U_Z$，稳定电流$I_Z$，额定功耗$P_{ZM}$，动态电阻 $r_Z$。其中：

$$P_{ZM}=U_Z\cdot I_Z,r_Z=\frac{\Delta U_Z}{\Delta I_Z}$$

在进行稳压二极管相关计算时，要注意假设是否击穿。不击穿的时候一般不考虑电流，认为是断路

发光二极管

红色压降1.6-1.8V，绿色2V

晶体三极管

晶体三极管，即双极晶体管（BJT，bipolar transistor）

构成方式

发射区的掺杂浓度远大于集电区和基区，基区在中间，非常薄。符号相关略，来自浙江技术选考。

电流放大作用

截止：都反偏

放大：e正偏，c反偏

饱和导通：都正偏

正偏，即PN结正向导通；反偏即反向截止

内部载流子的运动

以NPN三极管为例，集电区和发射区的载流子是自由电子，基区的载流子是空穴。

对发射结：正偏导通，基区的空穴向发射区扩散，发射区的自由电子向基区扩散，而由于发射区的掺杂浓度大得多，空穴的扩散量几乎可以忽略。由于基区的空穴太少，湮灭的自由电子很少，所以相当一部分来自发射区的自由电子继续向集电区扩散。基区的宽度和掺杂浓度决定了在基区吸收的自由电子比例

对集电结：反偏，直接把基区未吸收的电子全部抽到集电区。保证了电子交通的完整性，确保比例固定。

放大系数

对上述的各种过程，忽略基区扩散和基区和集电区之间的漂移运动，可以得到如下关系：

$$直流放大系数\overline{\beta}\approx\frac{I_C}{I_B}$$

$$交流放大系数\beta\approx\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

但是数值上没什么区别，所以直接全用$\beta$了

除了共射的放大系数，另有共基的$\alpha$

$$共基直流放大系数\overline\alpha\approx\frac{I_C}{I_B}=\frac{\overline\beta}{1+\overline\beta}$$

交流的同理

穿透电流

放大状态下，基极开路时，集电极和发射极之间并非完全断路。此时通过的电流为穿透电流$I_{CEO}$

同样地，发射极开路时有$I_{CBO}$，如上图。

BJT共射特性曲线

共射即共发射极接法，即浙江技术选考

1. 输入特性：$i_b=f(u_{be})|{u_{CE}=const}$，对每一个U(CE)有一个曲线，即曲线族

   

2. 输出特性：$i_c=f(u_{ce})|{i_b=const}$，同为曲线族

• 放大区：$i_c=\beta i_b$，发射结正偏
• 截止区：ce断路，都反偏
• 饱和区：导通，双结正偏，本质是$\beta i_b>i_{cmax}$，即热力学第二定律（？

由此，晶体三极管可以开发出放大功能和开关功能。开关功能常用于电控，是浙江技术选考通用技术的核心考点；放大功能则是模拟电子技术区别于数字电子技术的主要内容。

主要参数

对电子工程师来说有用，但对考试没用，但是我大概不会去做电子工程师

温度的影响

对输入特性，对相同的$i_b$，温度升高，$u_{be}$降低2-2.5mV

对输出特性，温度升高，$i_{CEO}$成倍增长，$\beta$也会增加

光电三极管

对光敏感的三极管，$i_{ce}$与光强成比例

场效应管

场效应管（FET, field effect transistor）

绝缘栅型场效应管（MOSFET）

书上先讲结型场效应管，但是郑老师选择先讲这个

N沟道增强型MOS管（N沟道增强型绝缘栅型场效应管）

结构：g栅极，s源极，d漏极；对应基极，发射极，集电极。但是原理不同。

工作原理

如上图，在gs端施加电压，排斥ds之间靠近g极的空穴，并聚集自由电子，使得该处形成一个新的N型区域，即N沟道

如上图，再在ds端施加电压，会导致沟道两侧电场强度不均匀，沟道宽度随之改变，随着ds端电压不断升高，两侧宽度差异越来越大，最终会进入“预夹断”的状态，即“如断”，此时，无论$V_{ds}$电压如何升高，其电流不再改变，即进入恒流区。

对P沟道的类型，只需要把NP换个位置即可，相应地，需要改变电压的方向。

N沟道耗尽型MOS管

即本身具有沟道，需要有负电压$U_{gs(\mathrm{off})}$才能达到截断效果。P类同理。

结型场效应管

$u_{ds}=0$时，如上图，在gs上加反压，可以让沟道越来越小，最终会夹断（确实夹断，不是如断），功能上比较类似耗尽型MOS管，但是不能跨越正负。另一方面，相对于绝缘栅型场效应管，结型场效应管比较耐用。

场效应管的特性曲线与参数

特性曲线

1. N沟道增强型MOS

   左侧为转移特性曲线，是恒流区；右侧是输出特性曲线

2. 结型

所有类型的集合

参数

直流参数：$V_{GS(th)},V_{GS(off)},I_{DSS},R_{GS(DC)}$

交流参数：

1. （低频）跨导 $g_m=\frac{\Delta i_D}{\Delta U_{GS}}|U_{DS}=\mathrm{const}$

2. 极间电容