模拟电路

摘要:本节首先讨论什么是信号,模拟信号和数学信号的定义。然后介绍半导体相关的一些基础知识。

基本概念

信息:信息奠基人香农(Shannon)认为“信息是用来消除随机不确定性的东西”,这一定义被人们看作是经典性定义并加以引用。控制论创始人维纳(Norbert Wiener)认为“信息是人们在适应外部世界,并使这种适应反作用于外部世界的过程中,同外部世界进行互相交换的内容和名称”,它也被作为经典性定义加以引用。

消息:消息是信息的形式和载体。

信号:消息需要借助某些物理量(如声、光、电)的变化来表示和传递,信号是反映消息的物理量,是消息的表现形式。

电信号:电信号是指随时间而变化的电压

或电流

,因此数学上可将它表示为时间

的函数,即

。并可画出波形。电子电路中的信号均为电信号,以下简称信号。

模拟信号:在时间和数值上均具有连续性,即对应于任意时间

均有确定的函数值

,并且

的幅值是连续取值的。

数字信号:在时间和数值上均具有离散性,

的变化在时间上不连续。

模-数转换A/D(Analog to Digtal):将模拟信号转为数字信号。

数-模转换D/A(Digtal to Analog ):将数字信号转为模拟信号。

本征半导体

本征半导体:纯净的具有晶体结构的半导体。

晶格:晶体中的原子在空间形成的排列整齐的点阵。

共价键:相邻的两原子的一对最外层电子(即价电子)不但围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,这样的组合称为共价键结构。

空穴:价电子由于热运动获得足够的能量,从而挣脱共价键的束缚变成自由电子。与此同时,在共价键中留下一个空位置,称为空穴。

载流子:运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子即自由电子导电。而本征半导体有两种载流子,及自由电子和空穴均参与导电。

本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象。

复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。

本征半导体载流子浓度

分别表示自由电子和空穴的浓度(

),

为热力学温度,

为玻尔兹曼常数

,

为热力学零度时破话共价键所需要的能量,又称禁带宽度(硅为

,锗为

),

是与半导体材料载流子的有效质量、有效能级密度有关的常数(硅为

,锗为

)。

杂质半导体

杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,便可得到杂质半导体。

N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。N型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,固称自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子;前者简称为多子,后者为少子,由于杂质原子可以提供电子,故称为施主原子

P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。P型半导体中空穴为多子,自由电子为少子,因杂质原子中的空位吸收电子,故称为受主原子

PN结

PN结:采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单项导电性。

PN结的形成

将下图a的P型半导体和N型半导体采用一定的工艺措施紧密地结合在一起,由于N区电子浓度远大于P区,P区的空穴浓度远大于N区,因此N区的电子要穿过交界面向P区扩散,P区的空穴也要穿过交界面向N区扩散。扩散的结果,在交界面形成一个薄层区,在这薄层区内,N区的电子已跑到P区,N区留下了带正电的离子,形成N区带正电;P区的空穴已被电子填充,P区留下了带负电的原子,形成P区带负电。这薄层称为空间电荷区,如下图b所示。

这薄层的两边类似已充电的电容器,形成由N→P的内电场。空间电荷区内基本上已没有载流子,故又称为耗尽层,或称PN结。它具有很高的电阻率。显然这个内电场形成后将阻碍多数载流子的扩散运动;同时,内电场又使P区少数载流子电子向N运动;使N区少数载流子空穴向P区运动。这种少数载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动

扩散运动和漂移运动是同时存在的一对矛盾,开始形成空间电荷区时,多数载流子的扩散是矛盾的主导,随着扩散运动的进行,空间电荷区即PN结不断增宽,内电场增强,此时扩散运动减弱,而漂移运动越来越强,在一定温度时,最终扩散、漂移运动达到动平衡,PN结处于相对稳定状态,PN结之间再没有定向电流。

PN结的单向导电性

外加正向电压:PN结导通(导电):如下图a所示,将电源E串联电阻R后正极接于P区,负极接于N区,这时称PN结外加正向电压。在正向电压作用下,PN结中的外电场和内电场方向相反,扩散运动和漂移运动的平衡被破坏,内电场被削弱,使空间电荷区变窄,多数载流子的扩散运动大大地超过了少数载流子的漂移运动,多数载流子很容易越过PN结,形成较大的正向电流,PN结呈现的电阻很小,因而处于导通状态。串联电阻是为了防止电流过大而可能烧毁PN结。

外加反向电压,PN结截止(不导电):上图b中,将电源E的正极接于N区,负极接于P区,PN结外加反向电压,或称PN结反向接法。此时外电场和内电场方向一致,内电场增强,使空间电荷区加宽,对多数载流子扩散运动的阻碍作用加强,多数载流子几乎不运动,但是,增强了的内电场有利于少数载流子的漂移运动,由于少数载流子的数量很少,只形成微小的反向电流,PN结呈现的反向电阻很大,因此处于截止状态。反向电流对温度非常敏感,温度每升高8~10℃,少数载流子形成的反向电流将增大1倍。PN结正向连接时,PN结导通,正向电阻很小。PN结反向连接时,PN结截止,反向电阻极大。PN结特有的这种单向导电特性,正是各种半导体器件的基本工作原理。

PN结的电流方程

由理论分析可知,PN结所加电压

与流过他的电流

的关系为:

,式中

反向饱和电流

为电子的电量,

为玻尔兹曼常数,

为热力学温度。

PN结的伏安特性

PN结的伏安特性曲线

上图为PN结的伏安特性曲线,其中

的部分被称为正向特性

的部分被称为反向特性。当反向电压超过一定数值后,反向电流急剧增加,称之为反向击穿。击穿按照机理分为齐纳击穿雪崩击穿两种情况。

齐纳击穿:在高掺杂的情况下,因耗尽层宽度很窄,不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场,而直接破坏共价键,是价电子脱离共价键束缚,产生电子-空穴对,致使电流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。齐纳击穿电压较低。

雪崩击穿:如果掺杂浓度较低,耗尽层宽度较宽,那么低反向电压下不会产生齐纳击穿。当反向电压增加到较大数值时,耗尽层的电场使少子加快漂移速度,从而与共价键中的价电子相碰撞,把价电子撞出共价键,产生电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其他价电子,载流子雪崩式的倍增,导致电流急剧增大,这种击穿被称为雪崩击穿。

PN结的电容效应

势垒电容:当PN结外加电压变化时,引起积累在势垒区的空间电荷的变化,即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少,这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容

扩散电容:PN结扩散电容是来自于非平衡少数载流子(简称非平衡少子)在PN结两边的中性区内的电荷存储所造成的电容效应(因为在中性扩散区内存储有等量的非平衡电子和非平衡空穴的电荷,它们的数量受到结电压控制)。这种由于注入载流子存储电荷随着电 压变化所产生的扩散电容将随正向电压而按指数式增大。

参考链接

  1. 《模拟电子技术基础》(第五版)高等教育出版社
  2. http://m.elecfans.com/article/577144.html
  3. https://zhidao.baidu.com/question/208484367.html
  4. http://blog.sciencenet.cn/blog-729147-1033899.html
  5. https://baike.baidu.com/item/%E4%BF%A1%E6%81%AF/111163?fr=aladdin
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