前言

鄭益慧老師的講課視頻見下方，本文主要記錄學(xué)習(xí)過程中對(duì)于鄭老師講課內(nèi)容的筆記以及思考。

【電子】模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 上交大 鄭益慧主講（模擬電路/模電 講課水平堪比華成英，視頻質(zhì)量完爆清華版）_嗶哩嗶哩_bilibili

第一章? 1.1 常用半導(dǎo)體器件?

一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 半導(dǎo)體概念

? ? ? ? 半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能界于導(dǎo)體與絕緣體之間。

? ? ? ? 本征半導(dǎo)體：是一種純凈的半導(dǎo)體，具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

1.2本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

? ? ? ? Si原子的四個(gè)價(jià)電子與相鄰的Si原子的四個(gè)價(jià)電子共同組成共價(jià)鍵。

? ? ? ? 這些價(jià)電子被共價(jià)鍵束縛，需要擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，才能夠?qū)щ姟?/p>

本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

1.3 載流子

? ? ? ? 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子、空穴稱為載流子。

1.3.1? ? 本征激發(fā)

? ? ? ? 本征激發(fā)包含三部分內(nèi)容? ：熱運(yùn)動(dòng) 、自由電子、空穴。

? ? ? ? 熱運(yùn)動(dòng)：若粒子所處環(huán)境不在絕對(duì)零度，會(huì)產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)。

? ? ? ? 自由電子：在熱運(yùn)動(dòng)作用下，價(jià)電子可能逃躍共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。

? ? ? ? 空穴：電子脫離共價(jià)鍵成為自由電子后，在原來共價(jià)鍵位置留下一個(gè)空穴。

?本征激發(fā)

1.3.2? ? 自由電子

? ? ? ? 在擺脫共價(jià)鍵的束縛后，自由電子便能夠?qū)щ?，但是由于?shù)量較少，導(dǎo)電性能較弱。

1.3.3? ? 空穴

? ? ? ? 價(jià)電子（共價(jià)鍵中的電子）在電場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng)，填補(bǔ)空穴，而原位置又多了一個(gè)空穴。從而，空穴的位置不斷地發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，因此空穴也能夠?qū)щ姟?/p>

1.4 復(fù)合 → 本征激發(fā)的逆過程

? ? ? ? 自由電子在脫離空穴后運(yùn)動(dòng)的過程中，可能會(huì)回到空穴。此時(shí)，空穴被填補(bǔ)，同時(shí)自由電子重新被共價(jià)鍵束縛，這一對(duì)載流子就失效了。

1.5?載流子的濃度?→ 決定本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力

? ? ? ? 由于是熱運(yùn)動(dòng)，因此隨著溫度的升高，本征激發(fā)的速率加快，從而導(dǎo)致了更多的自由電子以及空穴的出現(xiàn)。因此，載流子濃度也逐漸增大（導(dǎo)電能力增加），同時(shí)，復(fù)合的速率也隨之增加。在一定溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對(duì)，與復(fù)合的自由電子與空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

1.6?雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.6.1?概念

? ? ? ? 本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)量較少，無法為半導(dǎo)體帶來較好的導(dǎo)電能力。而加熱同樣無法無限提升半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，因此需要通過其他方式提高其導(dǎo)電能力。因此利用本征半導(dǎo)體的可摻雜性提高其導(dǎo)電能力。? ? ? ??

????????在本征半導(dǎo)體中慘入少量的雜質(zhì)元素，通過這種辦法造出載流子。

? ? ? ? 少量：摻入少量雜質(zhì)元素，不會(huì)改變晶格結(jié)構(gòu)，依舊是以四價(jià)元素為主。

1.6.2?N型半導(dǎo)體 → negative 負(fù)電

? ? ? ? 在Si原子中參入少量五價(jià)的磷（P），其為五價(jià)元素，外圍空間存在五個(gè)電子。其中四個(gè)電子與Si原子的電子組成共價(jià)鍵，另外一個(gè)成為自由電子。（此時(shí)固定在晶格里的P成為帶正電的磷離子，不導(dǎo)電）

? ? ? ? 因此，此時(shí)自由電子的濃度極高（甚至上百萬倍），稱為多子（主要導(dǎo)電載流子）；空穴，則稱為少子。

? ? ? ? （1）多子：受溫度影響極小，因此多子數(shù)量極多；

? ? ? ? （2）少子：受溫度影響極大。

? ? ? ? （3）施主原子：磷為半導(dǎo)體供應(yīng)的載流子，自身帶正電。

? ? ? ? 因此，在N型半導(dǎo)體中，多子由摻雜濃度決定，溫度影響小；少子由本征激發(fā)決定，溫度影響大。

? ? ? ? 在半導(dǎo)體中，與少子相關(guān)的特性，受溫度影響較大。

?N型半導(dǎo)體?

?1.6.3?P型半導(dǎo)體 → positive 正電

????????在Si原子中參入少量三價(jià)的硼，其為三價(jià)元素，外圍空間存在三個(gè)電子。三個(gè)電子與Si的外圍電子組合成為共價(jià)鍵，Si剩余的一個(gè)共價(jià)鍵作為空穴存在。

? ? ? ? 其中，空穴為多子，自由電子為少子。

??P型半導(dǎo)體?

1.6.4 為什么不參加6價(jià)元素？

? ? ? ??在單晶硅里，如果摻雜的是5價(jià)元素外圍有5個(gè)電子，4個(gè)成鍵就剩1個(gè)電子不成鍵，所以那個(gè)成不了鍵的孤獨(dú)的電子會(huì)比較愿意跑出去，用術(shù)語說就是電離能量比較低，所以容易5價(jià)元素?fù)诫s容易是導(dǎo)帶附近的淺能級(jí)。6價(jià)元素的話4個(gè)成鍵，剩下2個(gè)電子或許還能搭個(gè)伴，成雙對(duì)的電子不那么愿意跑出去，術(shù)語說就是電離能量相對(duì)較高，一般是導(dǎo)帶附近的深能級(jí)。

1.7 PN結(jié)

1.7.1 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

? ? ? ? 粒子總是從濃度高的位置向濃度低的方向運(yùn)動(dòng)。

? ? ? ? 當(dāng)P型與N型放一起時(shí)，P型中空穴不斷朝低濃度N區(qū)移動(dòng)，N型自由電子向P區(qū)移動(dòng)，在中間相遇，互相結(jié)合形成中間電荷區(qū)。磷正價(jià)離子與硼負(fù)價(jià)離子形成一個(gè)電場(chǎng)，阻礙碰撞的繼續(xù)。?

?PN結(jié)的形成?

? ? ? ? ?其中，空間電荷區(qū)又稱為：耗盡層、阻擋層以及PN結(jié)

1.7.2 勢(shì)壘

（1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

? ? ? ? 自由電子與空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)仍然在進(jìn)行，但是由于勢(shì)壘的存在，大部分無法越過勢(shì)壘進(jìn)入高濃度區(qū)域，但是也會(huì)有少部分能夠翻過勢(shì)壘。

? ? ? ? 當(dāng)沒有逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要時(shí)間足夠，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)必定持續(xù)進(jìn)行。

（2）漂移運(yùn)動(dòng)

? ? ? ? 在電場(chǎng)力的作用下，P區(qū)少子（自由電子）能夠很快地進(jìn)入N區(qū)。

? ? ? ? N區(qū)的少子（空穴）也受電場(chǎng)力影響。

?勢(shì)壘?

1.8 對(duì)稱結(jié)

? ? ? ? 當(dāng)P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度相同時(shí)，PN結(jié)中正離子區(qū)和負(fù)離子區(qū)的寬度也一樣。

1.9 不對(duì)稱結(jié)

? ? ? ? 當(dāng)P區(qū)、N區(qū)摻雜濃度不同時(shí)，濃度高的一邊PN結(jié)寬度變窄。

? ? ? ? 因?yàn)闈舛雀呦驖舛鹊蛿U(kuò)散，濃度越高，擴(kuò)散地越多，對(duì)面的PN結(jié)也就越寬。

二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/h3>

2.1 加正向電壓

? ? ? ? 最開始只發(fā)現(xiàn)了正電荷，因此規(guī)定電流移動(dòng)的方向?yàn)檎姾梢苿?dòng)的方向。而實(shí)際上造成金屬導(dǎo)體中的電流是由于負(fù)電荷（自由電子）的定向移動(dòng)（電流的反方向）。

? ? ? ? 電場(chǎng)方向與電流方向、電壓方向都相同。電場(chǎng)方向總是從正極指向負(fù)極。

? ? ? ? 外電場(chǎng)削弱了內(nèi)電場(chǎng)的作用，導(dǎo)致勢(shì)壘極大下降，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)重新得以恢復(fù)，電流迅速增大。因此，在電路中加一個(gè)R電阻，起限流作用。

? ? ? ? PN結(jié)：因此正向電壓為P指向N

?PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通

2.2 加反向電壓

? ? ? ? PN結(jié)加反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，勢(shì)壘不斷加高，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被阻礙，此時(shí)PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)。

? ? ? ? 此時(shí)，漂移運(yùn)動(dòng)被加強(qiáng)，但漂移運(yùn)動(dòng)為少子的運(yùn)動(dòng)，電流極小可以忽略不計(jì)。同時(shí)，由于其主要受少子影響，因此溫度對(duì)其的影響極大。

??PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止

三、 PN結(jié)的伏安特性

3.1 PN結(jié)的伏安曲線

? ? ? ? 基于此，能夠得到PN結(jié)的伏安特性曲線，反向電壓時(shí)電流較小，當(dāng)反向電壓過大時(shí)PN結(jié)被擊穿，因此出現(xiàn)驟升的電流。正向電壓較小時(shí)，電流也較小，隨著電壓的逐漸升高，電流呈指數(shù)上升。

?PN結(jié)的伏安特性曲線

3.2 PN結(jié)的電流方程

? ? ? ? 電流方程為一個(gè)指數(shù)方程，

其中，Ut是一個(gè)溫度相關(guān)的量，將溫度轉(zhuǎn)為電壓，當(dāng)溫度為室溫時(shí)，其值為26mV。U為PN結(jié)的電壓。Si做基材的PN結(jié)，在U為0.6~0.7V時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通。Is為反向飽和電流。

3.3 PN結(jié)的正向特性

? ? ? ? 存在死區(qū)，死區(qū)的大小由基材決定。Si做基材時(shí)，死區(qū)為0.6V~0.7V。Ge做基材時(shí)，死區(qū)為0.2V~0.3V。

3.4 PN結(jié)的反向特性

? ? ? ? 反向電流Is，Ge做基材時(shí)，反向電流大于Si做基材時(shí)的反向電流。

? ? ? ? 反向擊穿，當(dāng)反向電壓到達(dá)一定幅值，即反向擊穿PN結(jié)，使得電流急劇上升。

????????（1）雪崩擊穿

? ? ? ? ?PN結(jié)摻雜濃度低時(shí)，PN結(jié)寬度在外加電場(chǎng)作用加不斷加長(zhǎng)，形成一個(gè)類似于粒子加速器的區(qū)域，自動(dòng)電子撞擊共價(jià)鍵，使得更多自由電子的出現(xiàn)。

? ? ? ? 溫度越高，雪崩擊穿需要的電壓越高。

? ? ? ? （2）齊納擊穿

? ? ? ? PN結(jié)摻雜濃度高時(shí)，寬度雖然不大，但是電場(chǎng)強(qiáng)度較大，直接從共價(jià)鍵中將價(jià)電子拉出。

???????? 溫度越高，齊納擊穿需要的電壓越低。（溫度越高，價(jià)電子越容易拉出來）

? ? ? ? 反向擊穿后，PN結(jié)電流導(dǎo)致了其溫度升高，導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。當(dāng)反向擊穿時(shí)溫度不高，并馬上恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)，PN結(jié)還能使用。

3.5 摻雜濃度與反向擊穿電壓的影響

? ? ? ? 摻雜濃度越低，反向擊穿電壓越高；摻雜濃度越高，反向擊穿電壓越低。通過不同摻雜濃度，控制器反向擊穿電壓。

四、PN結(jié)的電容效應(yīng)

4.1 電容

? ? ? ? 電容反應(yīng)電量與電壓的關(guān)系，當(dāng)兩端的電壓發(fā)生變化時(shí)，其電荷量也發(fā)生變化。

????????在相同的電壓范圍內(nèi)，電容值的不同，代表著，電容能夠儲(chǔ)存的電荷量不同。

4.2 勢(shì)壘電容 （反向電壓）

? ? ? ? 勢(shì)壘電容不是線性的，隨著反向電壓的增加，其P區(qū)N區(qū)的電荷量逐漸增大，與電容的概念相同。

??PN結(jié)的勢(shì)壘電容

4.3 擴(kuò)散電容 （正向電壓）

? ? ? ? 當(dāng)施加的正向電壓發(fā)生變化時(shí)，其兩端的電荷量也會(huì)隨之發(fā)生改變，這種性質(zhì)稱為電容。由非平衡少子和電壓之間的關(guān)系構(gòu)成的。

? ? ? ? 如圖所示，2為在1的基礎(chǔ)上增大電壓，P區(qū)少子 濃度增大，3為在1的基礎(chǔ)上減小電壓，P區(qū)少子濃度減小。因此在電壓升高時(shí)，電荷量增大，電壓降低時(shí)，電荷量減少。這就是擴(kuò)散電容。

???P區(qū)的少子濃度分布曲線

第一章? 1.2 半導(dǎo)體二極管

一、二極管的伏安特性

1.1 體電阻

? ? ? ? 由于體電阻的存在，在相同的電壓下，電流比PN結(jié)小，因?yàn)殡娮枳兇蟆?/p>

1.2 反向電流? ? ? ??

????????在接反向電壓時(shí)，不僅PN結(jié)上的電阻存在漂移電流，其外殼也存在表面的泄露電流，但同樣，泄露電流的大小還是非常小的。但也比PN結(jié)更大。

1.3 溫度影響

? ? ? ? 當(dāng)溫度升高時(shí)，正向電流曲線向左移動(dòng)（死區(qū)變?。聪螂娏髑€向下移動(dòng)（漂移電流增大）。

? ? ? ? 溫度升高時(shí)，粒子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，本征激發(fā)增多。在相同電壓下，溫度高的電流比溫度低的電流要更大。反向下移，是由于溫度升高，少子的影響更為明顯。

? ? ? ? 在室溫前提下，每升高1攝氏度，正向壓降減小2~2.5mV。每升高10攝氏度，反向電流增大一倍。

?二極管的伏安特性曲線

二、二極管的主要參數(shù)

2.1???最大整流電流

? ? ? ? 二極管最大的整流電流，二極管能夠長(zhǎng)期正常工作時(shí)，能夠正向通過的平均電流的最大值。

? ? ? ? 即，代表著二極管能夠正常工作時(shí)，能通過的功率電流值

2.2??最高反向工作電壓

? ? ? ? 反向電壓使得二極管截止，但加到一定程度后，將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。

? ? ? ? UR不能等于反向擊穿電壓UBR，應(yīng)當(dāng)存在一定的余量，一般為66%。

2.3??反向電流

? ? ? ? 也就是上述所說的Is，漂移電流。其值越小，證明其反向截止特性越好。

2.4??最高工作頻率

? ? ? ? 也就是上限頻率。PN結(jié)上存在結(jié)電容，雖然容值極小，為pF級(jí)別。當(dāng)頻率較小時(shí)，其容抗較大，相當(dāng)于斷路，反向截止效果仍存在。

? ? ? ? 但是，隨著頻率的上升，容抗不斷下降，削弱了反向截止效果，直至近似于導(dǎo)通。

? ? ? ? 即，高頻電路中，二極管容易短路。

三、二極管的等效電路

3.1 二極管的阻值

? ? ? ? 根據(jù)二極管的伏安特性曲線，可以明顯看出其阻值為非線性的。

? ? ? ? 在實(shí)際的使用中，更偏向于采用等效電路，用線性元件替代非線性元件。

3.2 伏安特性折線化

? ? ? ? （a）圖為理想二極管的等效電路圖。舍棄了零點(diǎn)幾伏的死區(qū)壓降。

? ? ? ? （b）圖采用開關(guān)電壓，補(bǔ)償死區(qū)壓降。 導(dǎo)通后，壓降幾乎保持不變，上下誤差在0.1V左右。該近似等效電路在實(shí)際中使用最多，忽略壓降較小的誤差。

? ? ? ? （c）?圖較為接近真實(shí)情況，但實(shí)際使用較少。

二極管等效電路

?3.3 限幅電路

? ? ? ? ?在二極管導(dǎo)通后，其電壓穩(wěn)定在導(dǎo)通電壓附近，因此將正弦信號(hào)截頂。

? ? ? ? 采用了兩個(gè)特性：（1）單向?qū)щ娦?（2）二極管導(dǎo)通后，其電壓變化極小。

限幅電路

3.4 整流電路

? ? ? ? 在這里采用了理想二極管，因此所有電壓都加至R兩端，反向截止，因此反向電壓為0。

整流電路

?3.5 直流電壓源和交流電壓源同時(shí)作用的二極管電路

? ? ? ? 直流電壓源將整個(gè)電路推至二極管導(dǎo)通狀態(tài)下工作。交流源電壓幅值較小。

直流電壓源和交流電壓源同時(shí)作用的二極管電路

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