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  • 概念准备 结构相关 多子少子 多数载流子:在半导体中占大多数的载流子。 少数载流子:在半导体中占少数的载流子。 P型半导体N型半导体 常温下硅原子外侧的四个电子都形成共价键,所以并不能参与导电。导电性能...

    PN结相关概念

    结构相关

    多子和少子

    • 多数载流子:在半导体中占大多数的载流子。
    • 少数载流子:在半导体中占少数的载流子。

    P型半导体和N型半导体

    常温下硅原子外侧的四个电子都形成共价键,所以并不能参与导电。导电性能主要由杂质决定。
    在硅中掺入V族杂质后,由于它们外层为5个价电子,所以多余的一个就成为可移动的自由电子。这样的V族杂质原子可以向半导体硅提供自由电子而本身成为带正电的离子,所以又称为施主杂质(donor),其中的自由电子浓度表示为 N D N_D ND
    对应地,掺入III族元素,由于它们外层为3个价电子,就会接受一个电子以形成相对稳定的原子结构(这是由全满、半满的稳定性决定的),对外表现出提供了一个空穴。这种接受电子的杂质称为受主杂质(acceptor),其中空穴浓度称为 N A N_A NA

    掺入施主杂质的半导体中,自由电子相对空穴为多数,对外的导电性由电子保证,电子带负电(Negative),所以称为N型半导体。对应的掺入受主杂质的半导体称为P型半导体。

    P型杂质N型杂质
    多子空穴电子
    少子电子空穴
    别名受主杂质施主杂质

    PN结分区

    N区:连接后依然葆有N型半导体特征的区域(即多子未被消耗)
    P区:连接后依然葆有P型半导体特征的区域(即多子未被消耗)
    在这里插入图片描述
    PN结、空间耗尽区、空间电荷区:都是中间那个内外电场平衡的区域。

    机理相关

    杂质能级

    引入的杂质原子可提供并不难以激发的载流子。所以如果将杂质能级武断地归入导带或者价带都是不合适的。

    杂质原子与硅原子之间的耦合作用可以在禁带中引入靠近导带或者价带的杂质能级,分别称为施主能级和受主能级。

    施主能级容易给出电子,所以靠导带底近。受主能级容易给出空穴所以靠价带顶近。

    杂质能级是用来解释掺杂半导体比本征半导体提供载流子的能力能阈更低的一个思路。

    Fermi能级

    Fermi能级是统计力学概念,是Fermi-Dirac方程的计算结果。物理意义是温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级。
    在这里我们只需要知道掺杂半导体和本征半导体的Fermi能级不同即可。关于高低的差异,我们可以利用这个比喻来说明:

    设想你有一麻袋苹果(电子),你面前有一个长长的阶梯(能带),你从最下面一级台阶(能级)起往上走,每到一级台阶(能级),就在这一级台阶上面放两个苹果(电子),一直继续下去,到放完为止。此时你站立的台阶,就是费米能级。

    N型半导体的杂质能级相当于让你放苹果的起点变高,所以Fermi能级变高。P型半导体的杂质会“吸收”掉一部分电子,浪费了一部分苹果,所以最后的Fermi能级降低。

    势垒

    相当于化学热力学中的能垒。在PN结中,对应交界处的一块能量突变的空间区域。垒的高度是能量维度在空间上展开的结果,要克服直观上物质结构畸变的想法。

    载流子的两种运动

    扩散运动和漂移运动对应多子运动和少子运动。

    扩散:正类似化学中扩散,是高浓度向低浓度的运动。这里的扩散是从其作为多子的区域向作为少子区域移动的过程。如电子从N区移动到P区。
    漂移:形成内建电场后对少子的吸引作用,引发少子的重新排布,这个运动过程叫做漂移。

    PN结形成过程

    接触前

    N、P型半导体分别表现本有特征,其中N型中多电子Electron,P型中多空穴Hole
    在这里插入图片描述

    能级图

    其中虚线为两种半导体的Fermi能级。
    在这里插入图片描述

    耦合

    在这里插入图片描述
    受到热力学定律的支配,二者的多子必然会趋向于对向运动。在能级图中我们也可以通过Fermi能级,看出两种半导体能量的差异。这种差异将趋势能量的重新排布,从微观上解释了耦合过程中的载流子运动。
    在这里插入图片描述

    再分布

    N区离开了一部分电子,呈正电性,P区对应呈负电。形成内建电场,这个电场的电势可以平衡多子的渗透势所以最终达到稳定。

    不同于磁场的同化,电场伴随着奇特的异化(这在极化电场中时常可以看到),这个内建电场也不例外,引发少子漂移运动(空穴到N区,电子到P区)。进一步的稳态形成之后,就达成了一个稳定的无载流子区(这个并不是严格无,在后面将说到),即是PN结。
    在这里插入图片描述
    内建电场也可以从Fermi能级来理解。Fermi能级的高度差在前文已经介绍过,它们在耦合过程中趋同(费米能级是由热力学特征决定的,两个半导体相互接触并且达到热平衡,它们的费米能级就相等。)
    本来应该平直的禁带就发生了扭曲。这个扭曲的高程就叫做势垒,本质是内建电场(对于电子)的电势。
    在这里插入图片描述

    几个小补充

    耗尽近似和中性近似

    假设空间电荷区内的载流子完全扩散掉,即完全耗尽,空间电荷完全由电离杂质提供。在这个意义上,空间电荷区称为耗尽区。这个近似过程叫做耗尽近似
    由P区变为耗尽区的空间称为P(区)耗尽区。P耗尽区中的空间电荷浓度为 − q N A -qN_A qNA,N区耗尽区中的空间电荷浓度为 q N D qN_D qND

    假设耗尽区之外的多子浓度等于电离杂质浓度,保持中性,这部分趋于可以称为中性区。这种近似称为中性近似

    由于这个中性近似,耗尽区两个分区中的电荷分别相等。
    故而有 q N D x n = q N A x p qN_Dx_n=qN_Ax_p qNDxn=qNAxp

    通过这样的近似,我们建立了耗尽区宽度 x x x掺杂浓度 N N N的关系

    内建电场的电学描述

    此处并不涉及热力学问题。

    利用Poisson方程
    d E ( x ) d x = { − q N A / ε r ε 0 q N D / ε r ε 0 \frac{\mathrm dE(x)}{\mathrm dx}=\begin{cases}-qN_A/\varepsilon_r\varepsilon_0\\ qN_D/\varepsilon_r\varepsilon_0\end{cases} dxdE(x)={qNA/εrε0qND/εrε0
    积分得到电场强度,再积分得到电压 V b i V_{bi} Vbi,PN结势垒高度为 q V b i qV_{bi} qVbi

    MOS

    PN结是半导体-半导体接触,MOS是金属-氧化物-半导体

    首先通过几个例子了解能级变化分析的一般方法。

    肖特基势垒

    功函数 ϕ M \phi_M ϕM E v a c E_{vac} Evac E f e r m i E_{fermi} Efermi:电子脱离束缚逸出体外所需要的最低能量。其中大小关系为什么是那样的啊( =___= )别纠结了,我们只是概论。
    在这里插入图片描述
    在Fermi能级趋同时,其他能级发生扭曲。形成肖特基势垒。

    在这里插入图片描述

    肖特基接触和欧姆接触

    肖特基接触:整流接触,呈单向导电性

    在这里插入图片描述
    欧姆接触:无单向导电性,用于电极引出。

    (由于高掺杂下的强烈的隧穿效应,我们得到了高导通、无截止的伏安特性曲线。)

    在这里插入图片描述

    做能级扭曲的两个要点:

    • 接触面上,除Fermi能级外,其他高程差不发生变化,所以有: ϕ B = ϕ M − χ \phi_B=\phi_M-\chi ϕB=ϕMχ
    • 费米能级要趋同。

    在了解了这个基本思路之后,可以看看MOS结构的一组能带和电容分析,虽然暂时看来用处并不大(=___=),但写得挺好。记下来……

    MOSFET

    MOSFET基本分类

    在这里插入图片描述

    MOSFET结构

    在这里插入图片描述

    核心区相当于是一个背靠背的PN结。(增强型MOSFET)中部有一个较高的P能垒,类似NPN。通过栅压调整,我们可以改变这个这个能垒高度;当其称为NNN型时,导通是很自然的事情。凭借这样的设计,我们可以很便利的实现小电压控制大电压的操作。

    MOSFET基本原理

    几个基本假设

    • (绝缘假设)假设在氧化层中或氧化层–半导体界面没有电荷中心,氧化层是一个完美绝缘体
    • (等势假设)栅电极与半导体衬底没有功函数差,栅电极足够厚,可以看作是一个等势区

    这也正是1947年锗尝试失败的原因:很难形成比较理想的氧化物层。

    半导体表面态

    在这里插入图片描述
    积累:半导体表面增加的载流子极性和初始载流子极性一致
    平带:考虑绝缘假设,不加外电场时系统中能带处处水平,无电荷积累
    耗尽:正栅压与内建电场同向,进一步可以抵消更多的多数载流子的扩散效应,从而使得耗尽区宽度增大。
    弱反型

    • 半导体表面的增量载流子极性与初始载流子极性相反,并且密度超过初始载流子密度。
    • 耗尽区进一步加宽。
    • 通常的反型更多指强反型。

    强反型

    • 栅压增大到阈值电压;
    • 吸引到表面的电子浓度迅速增加;
    • 表面电子屏蔽外电场,使得耗尽区不再加宽
    • 表面电子电荷等于内部空穴电荷

    MOSFET输出特性

    V G S V_{GS} VGS控制 压控电流源 模型下的电流大小。

    在这里插入图片描述

    • 截止区:当控制电压 V g V_g Vg小于某个阈值电压 V t h V_{th} Vth时,源和漏之间只有耗尽区电荷存在,为高阻区,不存在电流。
    • 线性区:栅电压( V g V_g Vg)大于某个阈值电压( V t h V_{th} Vth)时,半导体表面形成反型电子的通道,称为沟道(channel)。这个沟道是平的,区别于加 V D S V_{DS} VDS之后的楔形。

      沟道电阻和载流子数目反比,当栅电压越大,通过栅电容控制的沟道电荷就越多,沟道电阻越小,源漏电流同时随栅电压和源漏电压线性增加。这就形成了图中一系列的形似的曲线。

    • 饱和区:当源漏驱动电压 V d s V_{ds} Vds足够大,漏和沟道之间的电场降低,低于阈值,附近的沟道夹断;热载流子的漂移速度会保持恒定。因此沟道电流不再随源漏电压增加。

    如图黄色区域,沟道由于强场, V G D = V G S − V D S < V T V_{GD}=V_{GS}-V_{DS}<V_{T} VGD=VGSVDS<VT而夹断。
    在这里插入图片描述

    • 击穿区:皮的就不谈了。无非齐纳、雪崩。
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  • 电分、模电、数电总复习之爱课堂题目概念整理

    千次阅读 多人点赞 2020-04-11 12:39:52
    本文转载自(https://www.cnblogs.com/RDJLM/p/11829560.html) 电路分析+模电+数电期末考试必看基础概念

    本文模电数电部分转载自博客园_模电数电爱课堂概念题整理

    电分总复习之爱课堂题目概念整理(原创)(不定期更新)

    1. 集总参数原件:实际电路远小于工作最高频率对应波长。(反之为分布参数原件)
    2. 电容元件的电流与其两端的电压具有微分关系。
    3. 电容元件某时刻的电流值,由该时刻电压的变化率决定。
    4. 电容具有隔断直流的作用。
    5. 电容电压、电感电流都具有记忆性质。
    6. 在电感电压为有界值的情况下,电感电流不能跃变。
    7. 某时刻电感的储能只与该时刻的电流有关。
    8. 电感的储能总为正。ω(t) = 1/2 * L * [i(t)^2]
    9. 电感、电容都是无源元件。
    10. 电感元件在某时刻的电流与①该时刻电压②前一时刻的电流 有关
    11. 过渡过程的快慢仅与时间常数有关,时间常数越小,过渡过程越快。 (由公式可推导)
    12. 零状态响应公式只适用于状态变量(电感电流和电容电压),零输入响应公式适用于任意物理量。
    13. 无源端口网络的等效阻抗,若虚部X=0,可等效为纯电阻;X>0,等效为电阻+电感;X<0,等效为电阻+电容
    14. 无源端口网络的等效导纳,若虚部B=0,可等效为纯电阻;B>0,等效为电阻+电容;B<0,等效为电阻+电感
    15. 等效阻抗与等效导纳的相互转化是利用复数的倒数来计算的,可利用公式,绝对不能简单的将实部虚部分别求倒数!
    16. 单口网络的有功功率表示单口网络实际消耗的功率。(这里强调的是实际,如果小号的功率<0,即为释放功率,具体做题时要比对选项,选择最优解)
    17. 在关联参考方向下,有功功率P = UIcosφ ,功率因数λ=cosφ(易错:U、I均为有效值,φ=ψu-ψi)
    18. 功率因数反映了发电设备容量的利用率。

    模电总复习之爱课堂题目概念整理

    Chapter 1

    1) 设室温情况下某二极管的反偏电压绝对值为1V,则当其反偏电压值减少100mV时,反向电流的变化是基本不发生变化。

    2) 二极管发生击穿后,在击穿区的曲线很陡,反向电流变化很大,但两端的电压降却几乎不变。

    3) 二极管的反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。

    4) 齐纳击穿的反向击穿电压小于6V。

    5) 二极管电击穿是可逆的,热击穿不可逆。

    6) 在P型半导体中,多子是空穴,少子是自由电子。

    7) 在P型半导体中:在室温下,当温度升高时,空穴的浓度将会近似不变。

    8) 在P型半导体中:在室温下,当温度升高时,自由电子的浓度将会升高。

    9) 温度每增加10摄氏度,硅或锗二极管的反向饱和电流约增为原来的2倍。

    10)二极管的伏安特性曲线可以被分为三个工作区域,分别为正向工作区、反向工作区和反向击穿区。

    11)不管温度有多高,本征半导体中自由电子的浓度等于与空穴的浓度。

    12)二极管的反向电流大小主要决定于少子浓度。

    13)N、P型半导体对外显电中性。

    Chapter 2

    1)有一PNP型三极管的发射结正偏、集电结正偏,则基极电位最低。

    2)PNP型晶体管工作在饱和区时,发射结和集电结都正偏。

    3)厄尔利(Early)电压反映的是晶体管的基区调宽效应。

    4)两个三极管的β值的参数对称性看二者比值与1比较,越接近于1,参数对称性越好。

    5)某放大电路在负载开路时的输出电压为12V,接入9k欧姆的负载电阻后输出 电压降为

    9V,这说明放大电路的输出电阻为3k欧姆,若将负载电阻改为21k欧姆,则负载上的电流大小为0.5mA。

    6)有两个放大倍数相同、输入和输出电阻不同的放大电路A和B,对同一个具有内阻的信号源电压进行放大,在负载开路的条件下测得A的输出电压大,这说明A的输入电阻大。
    解析:

    • 放大器的输入电阻: r i=R b // r be 小功率管 r i约等于r be ;
    • 输出电阻:r o = Rc // r ce 小功率管 r o约等于R c
    • 输入信号电压:u i = i b * rbe
    • 输出信号电压:u o = - i c * R c = - (B)* i b * R c (括号内B是放大倍数)
    • 则电压放大倍数:Au = uo/ui
      由上电压放大倍数公式可知,在两个放大倍数相同,即 和同一个具有内阻的信号源的情况下,在两个放大器的相近的情况,.
      若Rc1> Rc2 则Au1>Au2
      故:若测的A放大电路的输出电压大,则A放大电路的Rc1就大.

    7)给放大电路设置合适直流工作点的目的是保证晶体管始终工作在放大区。

    8)三极管的结构特点有基区很薄、发射区的掺杂浓度很大、集电结结面积大。

    9)设有一NPN型三极管的发射结正偏、集电结反偏,则集电极电位最高,发射极电位最低。

    10)放大电路的有效输入信号必须加在发射结上。

    11)分析放大电路时,通常应该采用先直流后交流的方法。

    12)双极型晶体管处于放大状态时,iC和ib是线性关系;iC和VBE是指数关系;ΔiC和ΔVBE是线性关系。

    13)通常的晶体三极管在集电极和发射极互换使用时,不再有较大的电流放大作用。

    14)放大电路必须加上合适的直流电源才能正常工作。

    15)在放大区内,共发射极输出特性曲线基本水平略有上翘,说明此时输出电压VCE变化时,输出电流iC基本不变。

    16)在集成电路中,应尽量避免使用过高阻值的电阻。

    17)若信号源为电压源,则放大电路的输入电阻越大越好。

    18)若放大电路采用电流源形式输出,则输出电阻越大越好。

    19)处于放大状态的双极型晶体管的集电极输出电阻:交流电阻大于直流电阻。

    20)若信号源为电流源,多级放大电路的输入级适宜采用共基组态电路。

    21)饱和失真和截止失真都是非线性失真。

    22)若某NPN单管共射放大电路的工作位于其交流负载线的中点,则可获得最大不失真输出。23)可以通过减小输入信号的幅度来减小甚至消除饱和失真和截止失真。

    24)交流负载线和直流负载线分别应用不同的场合,不可混用。

    25)大部分情况下,交流负载线斜率的绝对值要大于直流负载线斜率的绝对值。

    26)直流负载线和交流负载线都经过Q点。

    27)晶体管特性的变化不会对直流负载线产生影响。

    28)对于共集电极电路:1.电压增益小于1但接近于1

    2.当从基极看过去时,能够将发射极的交流负载电阻变为原来的(β+1)倍

    3.具有很强的电流驱动能力

    4.可作为缓冲级使用

    29)对于共基极电路:1.共基电路输入电阻较小

    2.共基电路的高频特性优于共发射极电路

    3.共基极电路的电压增益是同相的

    30)用恒流源作为放大电路有源负载的好处是可以在电源电压不变的情况下,获得较高的电路增益、合适的静态工作点、较宽的动态范围

    31)计算差模增益时仅需考虑输出端的连接方式是单端还是双端。

    32)计算差模输出电阻时仅需考虑输出端的连接方式是单端还是双端。

    33)在晶体三极管的三种组态中,既可放大电压也可放大电流的是共射组态,只能放大电压的是共基组态,只能放大电流的是共集组态。

    34)由晶体三极管放大电路的直流通路不可以判断晶体三极管的工作组态。

    35)一般来说,源电压增益将小于电压增益。

    36)纯阻负载的差分放大电路的差模电压放大倍数与输出信号是单端还是双端输出有关。

    37)差分放大电路的基本特性是放大差模信号,抑制共模信号。

    38)在差分放大电路中,差模输入信号是两个输入端信号的差,共模信号是两个输入端信号的平均。

    39)乙类功率放大电路的理想最大效率为78.5%

    40)为减小多级直接耦合放大电电路的零点漂移,首级电路宜采用差分放大电路。

    41)由于功率放大电路中的晶体管出于大信号放大状态,所以微变等效电路方法不再适用。

    42)对于乙类互补功放,电路输出功率最大时刻并非管耗功率最大时刻。

    43)多级放大电路的带宽窄于其中任何一级。

    44)多级放大电路的增益等于各级增益之积,但要考虑后级输入电阻对前级的影响。

    Chapter 3

    1. 当VGS=0时,能够工作在恒流区的场效应管是耗尽型MOS场效应管。

    2. 放大(饱和)状态下,双极型晶体管的输出电流和输入电压的(全值)关系为指数型,场效应型晶体管的输出电流和输入电压的(全值)关系为二次函数型。

    3. 场效应管源极跟随器与双极型晶体管射极跟随器相比:1.源极跟随器电压跟随性较差

    2.源极跟随器输出电阻更大

    4)相同条件下,电压增益大小比较:CMOS反相器>一般的CMOS共源E/E型>NMOS共源E/D型>NMOS共源E/E型

    Chapter 4

    1)导致放大电路在高频段产生频率失真的主要原因是三极管结电容。

    2)为提高单管共射放大电路的上限截止频率,可采取的措施有:1.选择基区体电阻小、结电容小、特征频率高的晶体管 2.使用内阻小的信号源 3.减小负载电阻

    3)多级放大电路的相频特性等于各级放大电路的相频特性之和。

    4)共射放大电路的高频特性主要由输入回路决定。

    5)共基放大电路的高频特性主要由输出回路决定。

    6)共基放大电路的高频特性最好,共集次之,共射最差。

    Chapter 5

    1. 有一单环深负反馈放大电路,其开环放大倍数为A,闭环放大倍数为Af,反馈系数为F。若F不变,A增大一倍,则Af将基本不变。

    2. 有一单环深负反馈放大电路,其开环放大倍数为A,闭环放大倍数为Af,反馈系数为F。若A不变,F增大一倍,则Af将减小约一半。

    3. 在三极管负反馈放大电路中,若保持负载不变,欲从信号源获取较小的电流,并能够在更换放大管时稳定输出电流,可在放大电路中引入电流串联或电压串联负反馈。

    4. 负反馈只能改善反馈环路内的电路性能,对反馈环路之外无效。

    5)只要放大电路的负载恒定,不管哪种反馈都能稳定输出电压。

    6)当输入信号已经失真时,引入负反馈并不能使失真得到改善。

    Chapter 6

    1)在正弦电压输入信号上叠加一个直流电压,应选用加法运算电路。

    2)由理想运放构成积分电路,当输入电压固定时,到达某一电压所需的积分时限与负载电阻无关。

    3)由运放构成的同相输入放大器,运放的共模输入电压等于输入电压。

    4)基本反相输入放大电路采用电压并联负反馈。

    5)基本同相输入放大电路采用电压串联负反馈。

    6)在反相求和电路中,运放的反相输入端为“虚地”点,流过反馈单阻的电流基本上等于各输入电流之和。

    7)电压跟随器和晶体管射极跟随器的共同点:
    1.交流输入电阻较大
    2.交流输出电阻较小
    3.电压增益小于1且趋于1

    8)与晶体管射极跟随器相比,运放构成的电压跟随器特性更好,输入电阻更大(趋于正无穷),输出电阻更小(趋于0)

    9)第一类输出端限幅电路,用两个背靠背的稳压二极管引入深负反馈,工作在线性区。

    10)第二类输出端限幅电路,限流电路和稳压二极管直接接于输出端,工作在限幅区。

    Chapter 10

    1. 稳压二极管工作时应处于反向击穿区。

    2. 稳压二极管在使用时应串联限流电阻。

    3. 稳压二极管应与负载并联在一起。

    4. 正常情况下,稳压二极管和变容二极管都必须工作在反偏状态 。

    5. 半波整流电路只能在输入信号的正半周或负半周时有输出。

    6. 对于串联开关电源调整管功耗主要取决于调整管的饱和压降和输出电流。

    7. 在直流稳压电源中,滤波电路的采用使脉动系数降低。

    8. 线性电源比开关电源纹波小。

    9. 并联型开关电源可以升压。

    10. 串联型开关电源可以降压。

    11. 开关电源比线性电源效率高 。

    数电总复习之爱课堂题目概念整理

    Chapter 1

    1)用一个字节(8位)表示无符号数,最大的表示范围为0~255

    2)8位有符号二进制数最高位表示符号(0表示正数,1表示负数),表示范围为-127(或-128)~127

    3)对26个英文字母(包括大小写)进行编码,若采用等长编码,编码长度为6位(一共52个字母)

    4)对于一个逻辑函数,其任意两个不同的最小项的与,结果为0

    5)对于一个逻辑函数,其任意两个不同的最大项的或,结果为1

    6)卡诺图化简中,若编码方式为8421BCD码,则图中10、11、12、13、14、15成为无关项(对应格子中填入X)

    7)一个逻辑函数可能有几种最简式,但其两种标准形式(与或式、或与式)均具有唯一性。

    8)一个逻辑函数的全部最大项之积恒为零。

    9)一个逻辑函数的全部最小项之和恒为1。

    10)一个逻辑函数的最小项集合与其最大项集合互为补集。

    11)用卡诺图化简法求函数的最简或与式,应该圈0,且每个圈对应一个和项,原变量用0表示,反变量用1表示。

    12)用卡诺图化简法求函数的最简与或式,应该圈1,且每个圈对应一个积项,原变量用1表示,反变量用0表示。

    13)在二进制表示中,数值0仅有补码的表示唯一。因为数值0若用8位二进制编码表示,可用原码00000000或10000000来表示。若用反码表示,则可表示为00000000或11111111。在补码表示中,正数的补码与原码、反码相同,负数的补码等于它的反码加1,因此只能用00000000来表示。

    Chapter 2

    1)门电路中悬空的输入端若用万用表去测对地电压时,相当于接了一个大电阻然后接地,属于低电平。

    2)TTL门电路的输入端悬空相当于接高电平,但输入端悬空会产生干扰,影响正常逻辑关系。

    3)CMOS门电路输入端悬空时输入电平不确定。

    4)TTL三态门有三个状态,分别是0状态、1状态、高阻态。

    5)在不影响逻辑功能的前提下,CMOS与非门多余的输入端可以接高电平。

    6)晶体管饱和越深,灌电流负载的驱动能力越强,但工作速度越慢。

    7)COMS、TTL门的输入端通过10KΩ电阻接VCC时,则该输入是逻辑“1”。

    8)相同输入OC门的输出连在一起使用也增加灌电流驱动能力。

    9)TTL与非门的开、关门电平越接近阈值电压VT,噪声容限越大。

    10)三极管反相器的拉电流负载电阻过小时,主要对输出的高电平产生影响。

    11)三极管反相器的灌电流负载电阻过大时,主要对输出的低电平产生影响。

    12)为了增加驱动能力,相同输入时的相同逻辑门输出可以互连在一起使用。

    13)TTL和CMOS与非门的闲置输入端悬空时会影响其逻辑关系,所以不允许多余输入端悬空。

    14)TTLOC、CMOSOD门的输出端可以直接相连实现“线与”逻辑。

    15)ECL逻辑门输出端直接相连可以实现“线或”。

    16)无论什么门的输出端都不能直接接地或者直接接电源。

    17)与门、与非门多余的输入端可接高电平。

    18)或门、或非门多余的输入端可接低电平。

    19)扇出系数反映了逻辑门的带负载能力,指逻辑门能驱动同类逻辑门的最大个数。

    20)当TTL逻辑门输入端通过一个大电阻(≥2kΩ)接地时,相当于高电平(1)

    21)当TTL逻辑门输入端通过一个小电阻(≤300Ω)接地时,相当于低电平(0)

    22)和CMOS相比,ECL最突出优点在于工作速度快。

    23)三态门可实现双向数据传输。

    24)两个反相器并联使用可以增加驱动能力。

    Chapter 3

    1)在组合逻辑电路中,任一时刻的输出由该时刻的输入决定。

    2)若输入信号源提供反变量,对于最简与或式,一定可用两级与非门实现。

    3)1位8421BCD加法器输入端有9个。

    4)引起组合电路中竞争与冒险的主要原因为电路延时。

    5)一个仅由各种逻辑门构成的电路不一定是组合逻辑电路。

    6)增加冗余项职能消除静态逻辑冒险。

    7)加选通脉冲或加滤波电容可以消除静态功能冒险。

    8)利用级联输入端可以将1片4位数目比较器74LS85扩展为5位比较器。

    9)对于输出高电平有效的译码器,每个输出都对应一个输入地址的最小项。

    10)用38译码器实现全加器还需要增加两个4输入与非门。

    11)普通编码器同时有两个输入信号有效时,会出现编码错误。

    12)编码和译码是互逆的过程。

    13)若输入变量按照循环码的规律变化,则不会产生静态功能冒险。

    14)数据选择器的功能相当于多个输入一个输出的数据开关。

    15)数据分配器的功能相当于一个输入多个输出的数据开关。

    16)计数器不属于组合逻辑电路。

    17)数据选择器不能做数码比较器使用。

    18)数据分配器和译码器电路结构类似。

    19)汉明码是既具有检错功能又具有纠错功能的一种可靠性编码。

    20)用双一线到四线数据分配器74LS155可以构成输出低电平有效的3-8译码器。

    21)用八选一数据选择器74LS151可以实现4个变量的函数。

    Verilog

    1)在Verilog HDL中,case语句不呼吁并行语句。

    2)input、output、inout声明的变量,默认都是wire型

    3)除了在声明的同时进行赋值外,在使用wire型变量时,必须搭配assign

    4)在always块中赋值的变量,不能是wire型,要为reg型。

    5)若变量放在begin…end内,则声明不能为wire型

    6)Verilog中不可综合的语句:initial、#10(延时)等

    7)b被赋成新值a的操作并不是立刻完成,而是在块结束时才完成,且块内多条赋值语句在块结束时同时赋值的形式,称为非阻塞赋值(b <= a)

    8)赋值语句执行完后,块才结束,b的值在赋值语句执行完后立刻就改变的成为阻塞赋值 方法(b=a)

    9)always块与assign语句是并发执行的,assign语句一定要放在always块之外。

    10)非阻塞赋值操作只能用于initial和always等过程块中的reg型变量赋值。

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  • 一般情况下形成的pn结为“缓变结”,即从p型区到n型区过度的部分掺杂浓度缓慢变化,为了简化分析,将其视为“突变结”,假设PN结的p区n区都为均匀掺杂,掺杂浓度分别为NAN_ANA​NDN_DND​。 2. PN结的平衡状态 ...

    2.2 PN结与二极管

    1. PN结的物理模型

    通过局部掺杂的方法使半导体中一部分区域为p型,另一部分为n型,在其交界就形成了pn结。
    一般情况下形成的pn结为“缓变结”,即从p型区到n型区过度的部分掺杂浓度缓慢变化,为了简化分析,将其视为“突变结”,假设PN结的p区和n区都为均匀掺杂,掺杂浓度分别为 N A N_A NA N D N_D ND
    pn结的基本结构

    2. PN结的平衡状态

    空间电荷区

    • 空间电荷区
      形成pn结后,p型区的空穴浓度要远远大于n型区,通向n型区的自由电子浓度远大于p型区,由于浓度差产生扩散运动,在各自区域留下离化杂质 N A − {N_A}^- NA N D + {N_D}^+ ND+,于是在交界面附近形成了一个带电区域,称为空间电荷区,形成的电场称为自建电场
      载流子同时存在由于自建电场的漂移运动和由于浓度梯度的扩散运动,自建电场阻碍着扩散运动,两者抵消时达到平衡状态,电场不再变化,即为PN结的平衡状态。

    • 耗尽层
      实际上此时空间电荷区的载流子浓度很低,据此引入耗尽层近似,认为空间电荷区有着明确的边界空间电荷区的载流子浓度为0,空间电荷区外的载流子浓度不受影响,也将空间电荷区称作耗尽层

    • 势垒区
      在空间电荷区由于存在由杂质离子激发的电场,故存在电势差,称PN结两边中性区之间的电位差为接触电势差 V b i V_{bi} Vbi,也称为“内建电势”,n区的自由电子需要克服势垒 q V b i qV_bi qVbi才能够到达p区导带,所以也将空间电荷区称为势垒区。其中接触电势差 V b i V_{bi} Vbi满足:

      V b i = k T q ln ⁡ N D N A n i 2 (2.9) \tag{2.9}V_{bi} = \frac{kT}{q} \ln{\frac{N_D N_A}{{n_i}^2}} Vbi=qkTlnni2NDNA(2.9)

      N D N_D ND: n型区施主杂质掺杂浓度
      N A N_A NA: p型区受主杂质掺杂浓度
      n i n_i ni: 该材料无掺杂(本征半导体)时的载流子浓度,满足式(2.3)

    平衡状态下的pn结

    空间电荷区的三种名称反应了该区域的特点,即区域中存在离化杂质、不存在载流子、区域两边存在电势差。

    势垒区两侧载流子浓度关系
    在平衡状态时对式(2.9)取对数并且结合半导体中多子浓度约等于杂质浓度,可得:

    n i 2 n n 0 p p 0 = exp ⁡ ( − q V b i k T ) \frac{{n_i}^2}{n_{n0}p_{p0}} = \exp(-\frac{qV_{bi}}{kT}) nn0pp0ni2=exp(kTqVbi)

    n n 0 n_{n0} nn0: 平衡时n型区域的自由电子浓度(多子浓度)
    p p 0 p_{p0} pp0: 平衡时p型区域的空穴浓度(多子浓度)
    V b i V_{bi} Vbi: 内建电势

    带入质量作用定理(式2.4)得:

    n p 0 = n n 0 exp ⁡ ( − q V b i k T ) p n 0 = p p 0 exp ⁡ ( − q V b i k T ) (2.10) \tag{2.10} \begin{alignedat}{2} n_{p0} = n_{n0}\exp(-\frac{qV_{bi}}{kT}) \\ p_{n0} = p_{p0}\exp(-\frac{qV_{bi}}{kT}) \end{alignedat} np0=nn0exp(kTqVbi)pn0=pp0exp(kTqVbi)(2.10)

    可以得到:势垒区一侧平衡少子浓度 = 另一侧多子浓度 × exp ⁡ ( − q V b i k T ) \exp(-\frac{qV_{bi}}{kT}) exp(kTqVbi)

    当外加电压时,平衡条件不再满足,需要对上式做出修正,现规定空间电荷区在p型区的宽度为 x p x_p xp,在n型区的宽度为 x n x_n xn,以p型区和n型区的边界位置作为零点建立 X 坐标轴。
    pn结坐标
    外加电压 V a V_a Va时(电压为正时表示正向偏置电压),由于除了空间电荷区域以外的地方载流子浓度好,电阻低,所以电压都施加在空间电荷区,空间电荷区的电势差修正为 V b i − V a V_{bi}-V_a VbiVa
    式子修正为:

    n p ( − x p ) = n n ( x n ) exp ⁡ ( − q ( V b i − V a ) k T ) p n ( x n ) = p p ( − x p ) exp ⁡ ( − q ( V b i − V a ) k T ) (2.11) \tag{2.11} \begin{alignedat}{2} n_{p}(-x_p) = n_{n}(x_n)\exp(-\frac{q(V_{bi}-V_a)}{kT}) \\ p_{n}(x_n) = p_{p}(-x_p)\exp(-\frac{q(V_{bi}-V_a)}{kT}) \end{alignedat} np(xp)=nn(xn)exp(kTq(VbiVa))pn(xn)=pp(xp)exp(kTq(VbiVa))(2.11)

    3. PN结的直流特性

    正偏电压定性分析:

    1. 未施加电压时,扩散运动(由载流子浓度差引起)和漂移运动(由内建电场引起)互相抵消,没有净载流子通过空间电荷区。
    2. 施加正偏电压 V a V_a Va时, V a V_a Va与内建电势 V i V_i Vi方向相反,使得漂移运动得到抑制,空穴载流子向n型区扩散运动,在空间电荷区与n型区的边界产生积攒,空间电荷区边界的浓度符合式(2.11),可以看出明显大于n型区空穴(少子)的浓度。(自由电子的运动状态同上)
    3. 由于浓度差的存在,边界的空穴向n型区继续扩散,一边扩散一边与n型区的多子自由电子复合,在扩散一段距离后非平衡空穴被完全复合掉,下降为n型区的平衡浓度,该段少子扩散的区域叫做扩散区。(自由电子的运动状态同上)
    4. 在正偏电压的作用下,整个pn结的总电压减小为 ( V i − V a ) (V_i - V_a) (ViVa),pn结的大部分压降都在空间电荷区上,空间电荷区上的电压减小,空间电荷区的电压差来源于离化杂质的电荷,所以空间电荷区会变窄。
      正向偏置的pn结
      反偏电压定性分析:
    5. 施加反偏电压时,在反偏电压的作用下n型区的少子空穴向p型区漂移,p型区的少子自由电子向n型区漂移,边界处的少子浓度复合式(2.11)。
    6. 边界处的少子浓度小于平衡少子浓度,少子向边界扩散形成电流,当反偏电压很大时边界少子浓度趋近于0,此时反偏电流最大,达到饱和。
    7. 在反偏电压作用下空间电荷区的总电压增加,同理空间电荷区变宽。

    理想情况下pn结的直流伏安特性:
    理想条件:

    1. 小注入:注入的少数载流子浓度相比各区平衡多子浓度小得多。
    2. 耗尽层近似:空间电荷区载流子全部耗尽,少数载流子只存在扩散运动。
    3. 不考虑耗尽层中的载流子的产生和复合作用。
    4. 外加电压时耗尽层边界处载流子满足玻尔兹曼分布式:
      p n ( x n ) = p n 0 ( x n ) exp ⁡ ( q V a k T ) p_n(x_n) = p_{n0}(x_n)\exp(\frac{qV_a}{kT}) pn(xn)=pn0(xn)exp(kTqVa)

    最终得到表达式:

    I = I s [ exp ⁡ ( q V a k T ) − 1 ] (2.12) \tag{2.12} I = I_s[\exp(\frac{qV_a}{kT})-1] I=Is[exp(kTqVa)1](2.12)

    其中 I s I_s Is称为pn结饱和电流:

    I s = A ( q D n n p 0 L n + q D p p n 0 L p ) (2.13) \tag{2.13} I_s = A(\frac{qD_nn_{p0}}{L_n} + \frac{qD_pp_{n0}}{L_p}) Is=A(LnqDnnp0+LpqDppn0)(2.13)

    V a V_a Va: pn结两端的电压, V p − V n V_p-V_n VpVn,即正偏状态 V a V_a Va为正,反偏状态 V a V_a Va为负;
    k k k: 玻尔兹曼常数;
    T T T: 热力学温度;
    A A A: 材料的横截面积;
    D n 、 D p D_n、D_p DnDp: 自由电子、空穴的扩散系数;
    L n 、 L p L_n、L_p LnLp: 自由电子和孔曰的扩散长度,其中 L n = D n τ n 、 L p = D p τ p L_n = \sqrt{D_n\tau_n}、L_p = \sqrt{D_p\tau_p} Ln=Dnτn Lp=Dpτp τ n 、 τ p \tau_n、\tau_p τnτp分别为自由电子和空穴的寿命;
    n p 0 、 p n 0 n_{p0}、p_{n0} np0pn0: 平衡状态下p型区域的自由电子浓度、平衡状态下n型区域的空穴浓度;

    V a < 0 V_a<0 Va<0时,有:

    I ≈ − I s = − A ( q D n n p 0 L n + q D p p n 0 L p ) (2.14) \tag{2.14} I \approx -I_s = - A(\frac{qD_nn_{p0}}{L_n} + \frac{qD_pp_{n0}}{L_p}) IIs=A(LnqDnnp0+LpqDppn0)(2.14)

    说明反偏时电流近似为常数,不随电压变化,又将 I s I_s Is称为反向饱和电流。

    温度对二极管特性的影响:

    1. 反偏炮和电流随温度升高指数型增大。
      由式(2.3)可知 n p 0 ∝ T 3 / 2 ⋅ e − E g / 2 k T n_{p0}\propto T^{3/2} \cdot e^{-E_g/2kT} np0T3/2eEg/2kT p n 0 p_{n0} pn0同理,故温度升高, I s I_s Is急剧增大。
    2. 正偏电流随温度升高而增大,正向压降降低。

    4. PN结的电容

    势垒电容
    随着PN结两端电压变化 d V \mathrm{d}V dV,势垒区的宽度随之变化,进而势垒区中的正负电荷分别变化 + d Q +\mathrm{d}Q +dQ − d Q -\mathrm{d}Q dQ,表现出电容效应。
    势垒电容 C J C_J CJ

    C J = ∣ d Q d V ∣ = A ϵ 0 ϵ r W (2.15) \tag{2.15} C_J=\vert\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}V}\vert = A\frac{\epsilon_0\epsilon_r}{W} CJ=dVdQ=AWϵ0ϵr(2.15)

    A A A: PN结的横截面积
    ϵ 0 \epsilon_0 ϵ0: 真空中的介电常数
    ϵ r \epsilon_r ϵr: 半导体的介电常数
    W W W: 势垒宽度

    扩散电容
    随着外加电压变化 d V \mathrm{d}V dV,根据式(2.11),边界处的浓度发生变化,扩散区的浓度曲线也随之变化,扩散区中储存电荷的数量也变化 d Q \mathrm{d}Q dQ,表现出电容效应。
    扩散电容 C D C_D CD:

    C D = d Q d V = q k T τ I D Q (2.16) \tag{2.16} C_D=\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}V} = \frac{q}{kT}\tau I_{DQ} CD=dVdQ=kTqτIDQ(2.16)

    k k k: 玻尔兹曼常数
    T T T: 热力学温度
    τ \tau τ: 少子寿命
    I D Q I_{DQ} IDQ: 直流工作点电流

    PN结电容
    PN结电容为势垒电容和扩散电容之和,可以看出均为可变电容,随着电压的增加,两者均增加,由于 I D Q I_{DQ} IDQ随着正偏电压指数增加,所以电压大于正向导通电压后,扩散电容 C D C_D CD起主要作用;反偏时电流很小,势垒电容 C J C_J CJ起主要作用。
    pn电容曲线

    5. PN结的击穿

    当在PN结上的反向电压增大到一定程度,反向电流会突然变得很大,PN结被击穿,此时的电压称为PN结的击穿电压 V B V_B VB B V BV BV,对应的电流为 I B V I_{BV} IBV。引起击穿的机理主要为雪崩击穿、隧道击穿、热击穿。

    雪崩击穿
    反偏电压增加到一定程度时,势垒区中电场很强,p区被抽出的电子经过势垒区强电场的加速后具有很大的动能,和势垒区的原子碰撞时发生碰撞电离,将价键上的电子撞击出来产生自由电子,新产生的电子,空穴在强电场作用下再发生碰撞电离,倍增之后使载流子迅速增加,同样n区的空穴抽出到p区时会产生同样的反应,使电流急剧增加,发生雪崩击穿。

    • 雪崩击穿电压随着掺杂浓度的升高而降低。掺杂浓度越低,势垒区越宽,由于要将电子加速到一定动能需要的电场强度是固定的,所以需要更高的雪崩击穿电压。
    • 雪崩击穿电压随着温度的升高而增大。温度升高,载流子的平均自由程缩短,需要更大的电场强度,所以需要更高的雪崩击穿电压。

    隧道击穿
    在反偏电压的作用下,n区的电势要高于p区,电子带负电荷,所以p区电子的能量大,导致p区的能带普遍高于n区的能带,此时p区的价带与n区的导带的能量相同,中间存在一个深度为 L L L的势垒,根据量子力学的原理,p区价带电子有一定概率穿过禁带达到n区导带成为自由电子。随着反偏电压加大,势垒深度 L L L变浅,遂穿达到一定程度,n区导带出现大量电子,电流急剧增大,导致击穿。
    隧穿效应

    • 隧道击穿电压随着掺杂浓度的升高而降低。掺杂浓度越低,势垒区越宽,势垒区能带的倾斜程度越小,势垒深度越深,越不容易发生遂穿,隧道击穿电压越高。
    • 隧道击穿电压随着温度的升高而降低。温度升高,禁带宽度减小,势垒深度变浅,更容易发生隧道击穿,隧道击穿电压降低。

    热击穿
    如果器件的散射不良,反向功率损耗发热引起PN结温度升高,温度升高引起本征载流子浓度增加,功耗变大导致温度再次升高…连锁反应导致电流急剧加大,导致PN结损坏。

    PN结的击穿电压
    PN结的击穿电压同时取决于雪崩击穿电压和隧道击穿电压,如图可以看出掺杂浓度低时,雪崩击穿起主要作用,只有当掺杂浓度很高时才有可能发生电子隧穿引发隧道击穿。
    同时可以从击穿电压的大小判断击穿类型。
    pn结击穿电压

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  • 三极管MOS管工作原理详解

    万次阅读 2020-05-26 22:12:02
    PN结是三极管以及场效应管中最基本的组成部分,要想彻底搞明白三极管以及场效应管的工作原理,必须先搞清楚PN结形成的原理工作特性。 本征半导体以及空穴对 本征半导体(intrinsic semiconductor))完全不含杂质且...


    PN结的形成

    PN结是三极管以及场效应管中最基本的组成部分,要想彻底搞明白三极管以及场效应管的工作原理,必须先搞清楚PN结形成的原理和工作特性。

    本征半导体以及空穴对

    本征半导体(intrinsic semiconductor))完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。硅、锗都是4价原子,在半导体内部形成相对稳定的共价键结构,如图 1所示。

    图 1

    在低温下这种结构相对稳定,但如果温度增高,束缚电子获得足够能量后会脱离共价键形成自由电子。同时在原来共价键的位置会留下一个空穴,如图 2所示。

    图 2

    从宏观上来说,自由电子虽然脱离了共价键,但是还是在晶体范围内的,所以宏观上晶体依旧是电中性。但是从微观上看自由电子带负电荷,空穴带正电荷。正是由于晶体还是呈现电中性,所以空穴和自由电子的一定是成对出现的,于是称之为空穴对。

    在出现空穴对后,其他位置上的电子有可能填补空穴,从而又形成新的空穴。以此往复就形成了空穴运动,其示意图如图 3所示。

    图 3

    空穴对的一个很重要的意义在于提高了导电能力。也就是说如果在晶体内全部都是完好的共价键是没有办法导电的。形成了空穴对之后,空穴和自由电子各自都是载流子,都可以运载电荷形成电流。

    杂质半导体

    与完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体相对,在其中加入一些微量杂质就形成了杂质半导体。由加入的杂质元素不同形成两种半导体。

    在本征半导体中加入五价元素磷、砷后,称为N型半导体。加入的这些元素原子与周围的四价原子形成共价键之后会多出来一个自由电子,如下图所示。

    图 4

    于是在N型半导体中出现了大量的不受共价键束缚的自由电子,同时也没有出现相应的空穴。于是在N型半导体中,用于导电的载流子以自由电子居多,称为多子;空穴就成为了少数载流子,又称为少子。

    相应的在本征半导体中加入三价元素硼、铟后,称为P型半导体。加入的这些元素原子与周围的四价原子形成共价键之后会多出来一个自由电子,如图 5所示。

    图 5

    于是在N型半导体中多子为空穴,少子为自由电子。

    以下两点说明对于理解这一部分非常有用:

    1. N型半导体和P型半导体都是电中性的,所谓的P和N不代表电性,代表的是多数载流子的电性。
    2. 加入这些杂质元素后就会形成多余载流子(空穴或者自由电子)的更本原因在于在原子内部,负电荷可分(每个电子带一个负电荷),正电荷不可分(全部集中于原子核)。
    3. 空穴本身无法运动,所以空穴作为载流子的根本还在于吸收电子。也就是说空穴传输电流的本质还是电子的移动产生的电流。

    扩散与漂移—PN结的形成

    将P型半导体和N型半导体制作在一起,形成一个特殊的交接面时,如图 6所示,P区中有很多空穴,N区中有很多自由电子。于是很自然地自由电子会扩散到P区,与空穴结合。这种现象称之为扩散现象。

    图 6

    本来的P区和N区都是电中性的,由于自由电子的扩散,必然导致半导体内部的电中性被破坏,从而在导体内PN结处形成一个内电场,如图 7所示。

    图 7

    从内电场的方向可以看出是阻止自由电子进入P区的,由内电场导致的载流子的运动称为漂移运动。漂移运动与扩散运动是相反的,于是在PN区连接处两种运动会形成一种动态平衡。从而形成了一定宽度的"空间电荷区",这个区域就称为"PN结"或者"耗尽层"。

    耗尽层的宽度由扩散运动的强度确定的。耗尽层的电阻率很高,为高阻区。这是由于电阻的大小反映的是导电性能的高低,耗尽层已经达到动态平衡,基本不导电,自然电阻就很大。

    虽然无论是扩散运动还是漂移运动,实际运动的都是电子。但是为了区别扩散运动和漂移运动,常常会将扩散运动运动称为多子运动,因为扩散是本区域中的多子进入对方区域的过程;相应的漂移运动就成为少子运动。

    PN结的单向导电性

    当给PN结加正向电压,即与内电场方向相反的外加电场时,内电场被削弱,最终的结果是N区的电子不断的进入P区,且N区可以从外加的电源中源源不断的汲取电子,于是就形成了较大的正向电流,如图 8所示。

    图 8

    如果反过来加反向电压,即外电场与内电场方向相同,导致的是多子难以扩散,少子的漂移运动加强。但是由于少子数量极少,所以无法形成持续不断的电流,此时PN结处于截止状态。

    单向导电性是PN结最为重要的特性,也是后面所以讨论的基础。

    三极管的工作原理及特性

    三极管之所以运用如此广泛,其主要原因在于它可以通过小电流控制大电流。形象地说就是基极其是是一个阀门开关,阀门开关控制的是集电极到发射极之间的电流大小,而本身控制阀门开关的基极的电流要求很小。更加形象的图形说明如下所示:

    图 9

    三极管的结构与符号

    图 10

    三极管内部机构要求:(此处只说结论,后面介绍原因)

    1. 发射区参杂浓度很高,以便有足够的载流子供发射。
    2. 为减少载流子在基区的复合机会,基区做得很薄,一般为几个微米,且参杂浓度极低。
    3. 集电区体积较大,且为了顺利收集边缘载流子,参杂浓度介于发射极与基极之间。

    三极管基本工作原理

    三极管的主要功能有:交流信号放大、直流信号放大和电路开关。同时三极管有三个工作区间,分别是:放大区、饱和区和截止区。这三个区域的工作原理会在后面详细介绍。这里首先介绍的就是交流信号放大、直流信号放大的放大功能,此时三极管工作在放大区。

    工作在放大区的三极管需要给发射极设置正向偏置、给集电极设置反向偏置,如图 11所示。

    图 11

    由于发射极正偏,发射极的多数载流子(无论是P的空穴还是N的自由电子)会不断扩散到基极,并不断从电源补充多子,形成发射极电流IE。由于基极很薄,且基极的多子浓度很低,所以从发射极扩散过来的多子只有很少一部分和基极的多子复合形成基极电流IB(发射极和基极的极性一定是相反的,所以各自的多子极性相反)。而剩余的大部分发射极传来的多子会继续扩散到集电极边缘。由于集电极反偏,所以反偏电压会将在集电极边缘的来自发射极的多子拉入集电极,形成较大的集电极电流IC

    我们可以换一种角度看这个过程,如果将中间的基极去掉,正偏和反偏的两个电源其实极性是相同的,串联成了一个电压更高的电源。发射极和集电极的半导体性质也是相同的,成为了一整块半导体,于是就退化成了下面这个电路。

    图 12

    于是可以理解成三极管就是人为的在上述电路中加了一个闸门,用很小的电流IB可以使闸门打开,形成很大的电流IC

    有了以上的知识,同时可以得出三种电流之间的关系式了。

    且在放大区状态下工作时有:

    在放大区工作时三极管内部载流子的传输与电流分配示意图如图 13所示。

    图 13

    三极管的特性曲线以及饱和区和截止区

    先以之前水库闸门的例子通俗的说明一下饱和区和截止区的含义。无论水库储水量有多大,闸门不开(IB=0)水库的水都没有办法从集电极流出,这就是截止区。

    当水库的闸门已经完全打开之后(IB达到了一定值),从集电极流出的水量只与集电极和发射极之间的储水量(压差)有关,已经与IB值的大小无关了,这就是饱和区。

    下面就介绍一下三极管的特性曲线,进一步强化对于三种工作区域的理解。

    测试三极管特征曲线的测试电路如图 14所示。(注:UBB=UBE,UCC=UCE

    图 14

    输入特性曲线:

    在UCE一定的情况下,IB与UBE之间的关系曲线如下:

    图 15

    分析一下输入特性曲线:

    1. 就右侧图中一条线红色曲线来看,即在U CE恒定的情况下,U BE会经历一个死区电压。这段区域内BE间PN结还没有达到导通电压,所以基极没有电流。当达到BE间PN结导通电压后,U BE越大其BE结扩散效应越强,导致基极电流越大。
    2. 对于在U BE相同的情况下,U CE越大I B越小的现象可以这样解释,U CE的增加相当于是增加了集电极的反偏电压,于是就增大了集电极的耗尽层的宽度,进而减小了基极的有效宽度。于是在基极的有效复合减少,从而电流减小。
    3. 但是为什么当UCE达到一定值(1V)之后就不再影响IB

    输出特性曲线:

    在一定基极电流IB的情况下,集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系曲线如下:

    图 16

    截止区:(发射极反向偏置,集电极反向偏置)

    此时IB很小,可以理解成UBE很小,BE之间的PN结没有达到导通电压,即前面说的阀门没有打开。所以IC和IE几乎为0。整个开关处于关闭状态。

    放大区:(发射极正向偏置,集电极反向偏置)

    此时IB已经达到了导通BE之间PN结的大小,但是此时IB相对较小,闸门还没完全打开。闸门的大小收到IB的控制。于是CE之间的电流大小完全与IB成正比。

    饱和区:(发射极正向偏置,集电极正向偏置)

    此时IB已经达到了完全导通BE之间PN结的大小,闸门已经完全打开。于是CE之间的电流大小受到UCE的影响,已经不再受IB的控制。

    输出特性曲线饱和区详解

    在上面的描述中无论是截止区还是放大区都相对容易理解,但是对于饱和区就不太容易理解了。

    首先三极管导电的原理是:射极和基极之间正偏,发射极有电子可以注入基极。其中极少部分与基极的多子复合后仍有大量的电子处于基极边缘。此时集电极和基极之间反偏,于是集电极有足够的吸引电子的能力。此时只要基极电流增大就意味着有更多的电子处于基极和集电极边缘,此时这些电子全部可以被集电极吸走。于是此时的IC只受到IB的控制。

    但是当UCE逐渐减小,吸引电子的能力逐渐下降。当在IB的作用下注入基极和集电极之间的电子没有办法被集电极全部吸走的时候,也就是随着IB的增大,IC的增大量与对应放大区相比减小或者不再增大的时候,就进入了饱和区。所以所谓的饱和区指的是集电极的吸收电子能力的饱和。

    工程上近似认为UCE=UBE时为临界饱和,但饱和曲线的真正物理意义应该是要得到某一数值的IC,至少需要加上多大的UCE

    为什么IB小电流可以拉出IC大电流

    其实这个问题在之前的介绍中已经有所解释,这里再集中强调一下。在三极管内部的结构如下。

    图 17

    由于内部结构特性(发射区参杂浓度很高;基区做得很薄且参杂浓度极低;集电区体积较大,参杂浓度介于发射极与基极之间)从而形成了一种特殊的结构,就是基极相当于在一块导体(发射极加集电极)之间加了一层薄薄的阻隔栅,而只需要很小的驱动力(UBE=0.7V,由于基极很薄,驱动电流也在uA量级)就可以将阻隔栅打开。而一旦打开这层阻隔,真正的驱动电流是由UCE驱动的。

    场效应管的工作原理及特性

    场效应管(FET)分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管,即金属-氧化物-半导体。下面以增强型NMOS为例,介绍MOS管的工作原理。

    MOS管的基本结构

    增强型NMOS的结构图如图 18所示,在参杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高参杂浓度的N型沟槽。分别用铝从两个N型沟槽中引出两个电极分别作为源极S和漏极D(此时的源极和漏极在结构上没有区别是可以互换的)。然后在半导体的表面覆盖一层很薄的SiO2绝缘层。在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极;作为栅极G。另外在衬底上也引出一个电极B。

    图 18

    在出厂前大多数MOS管的衬底已经和源极连在了一起,此时源极S和漏极D就有了区别,不能再互换了。

    MOS管出现导电沟道(反型层的形成)

    在UGS=0时,无论UDS的大小和极性,都会使得2个GS和DG这两个PN结中一个正偏,另一个反偏。但是由于两个N区之间被P衬底隔离,所以没有办法形成电流,情况如图 19所示。

    图 19

    当在栅源极之间加上正向电压(所谓的正向电压永远是指电场方向是从P区指向N区)后,则在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场,这个电场能排斥空穴而吸引电子,因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层,同时P衬底中的少子电子被吸引到衬底表面。当UGS增加大一定大小时,随着SiO2绝缘层中电场的增强,会将更多的电子吸引到P衬底的表面,于是栅极附近会形成一个N型薄层,且与两个N区联通。此时就形成了导电沟道,于是在DS之间就有电流可以通过了,其情况如图 20所示。

    图 20

    在这个阶段,如果UDS保持不变,UGS增加会导致导电沟道变厚,从而ID变大。

    MOS管预夹断的形成

    (预夹断的形成是在理解初期的一个难点,这里的描述是参考了一些文献之后自己的理解,正确性还需要考证)

    当UGS>UGSTH时,导电沟道形成,与S和D极连在一起形成了一个大的N型半导体。所以当在DS间加上正电压之后,电流可以在N型半导体中流动。

    设想UDS=0时,ID=0,SiO2绝缘层与导电沟道之间的电场是均匀分布的,即从D到S的导电沟道一样厚。但是导电沟道作为导体的一部分,一定是有电阻的。随着UDS的增加,ID的增大,靠近S端的电势会比靠近N处的电势要低。这里很重要的一点是在这个过程中SiO2平面上各个点的电势是均匀的,所以在导电沟道不同点与SiO2之间的电场强度是不一样的。

    如果以S端的电势为0的话,随着ID的不断增大,D点的电势会达到UGS-UGSTH。此时UG与UD之间的电势差为UGSTH,此时靠近D点处的电势差恰好达到可以产生导电沟道的情况,于是在D极处就开始出现如图 21所示的预夹断。

    图 21

    随着ID的继续增大,预夹断的点会不断往左移动,如图 22所示。但是无论如何移动,预夹断点与G之间的电压差保持为|UGSTH|。

    图 22

    另外非常重要的一点是,在预夹断的区域内,纵向的电势差不足以出现导电沟道,但是由于DS间的电势差都落在了这段预夹断区域内(即D极至夹断点区域内,且方向是从D极横向指向夹断点),于是夹断区内有很强的横向电场。于是当载流子到达夹断区边沿时,会被电场拉出,从D极输出。所以预夹断并不是不能导电,反而可以很好地完成导电。

    预夹断的过程中ID为什么不变

    有了以上认识就可以解释为什么在预夹断过程中UDS继续增大,ID的值可以保持不变。在进入预夹断之后,UDS继续增大的过程中,夹断点不断向S极移动,但是保持了夹断点和S极之间的电压保持不变(数值上等于|UGSTH|)。即增加的UDS的电压全部落在了夹断区内。(这里有一点没法从原理上解释,但是可以从结果反推,就是虽然导电沟道的长度在缩短,但是电阻值没有什么变化)于是ID的值保持不变。

    当反向电压达到一定程度的时候就出现了反向击穿,场效应管就坏了。

    场效应管的特性曲线

    图 23

    图 24

    图 23和图 24的左侧为漏极输出特性曲线,右侧为转移特性曲线。

    特性曲线中在VGS=-4V的曲线下方可以成为截止区,该区域的情况是VGS还没有到达导电沟道导通电压,整个MOS管还没有开始导电。

    可变电阻区又称为放大区,在VDS一定的的情况下ID的大小直接受到VGS的控制,且基本为线性关系。注意三极管中的放大区和MOS管的放大区有很大区别,不能觉得是相似的。

    恒流区又称为饱和区,此时ID大小只收到VGS的控制,VDS变化过程中ID的大小不变。

    场效应管的符号

    场效应管的分类列表如下:

    图 25

    1. 结型场效应管(JFET)和绝缘栅性场效应管(MOSFET)的区别

    图 26

    本文中详细介绍的是绝缘栅型场效应管,如图 26右侧图所示。而左侧这种结构称为结型场效应管,其工作原理大致如下:

    在UGS没有电压的情况下,在两个P区之间形成N区通道,连接着D极和S极。当UDS有电压时在N型半导体内形成电流。当G、S间加上反向电压UGS后(所谓反向电压是指从N区指向P区的电压),在电场力作用下N区通道逐渐变窄,直至消失,从而ID减为0。其特性曲线如图 27所示。

    图 27

    1. 增强型绝缘栅晶体管和耗尽型绝缘栅晶体管

    图 28

    本文中详细介绍的是增强型绝缘栅型场效应管,耗尽型绝缘栅型场效应管在SiO2绝缘层中掺杂了大量的金属正离子,所以在UGS没有电压的情况下这些正离子感应出反型层,形成导电沟道;于是UGS的作用就是抑制导电沟道。

    1. P沟道还是N沟道

      就是中间的半导体类型是P还是N。

    2. 符号的说明

    只有一根垂直线的为结型场效应管;两个线的为绝缘栅型晶体管。

    第二根线为虚线,为增强型绝缘栅型晶体管;为实线的为耗尽型晶体管。

    箭头永远从P指向N,而且永远是从G(漏)极输出。结型场效应管和绝缘栅型晶体管箭头作用看起来有点反的原因是G极的位置不同了。

    MOS管与三极管的区别

    1. 场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b和集电极c,作用相似。
    2. 场效应管是电压控制电流器件,场效应管的栅极基本不需要电流;而三极管的基极总是需要一些电流的。所以在希望控制端基本没有电流的情况下应该是一场效应管;而在允许一定量电流时,选取三极管进行放大可以得到较场效应管更大的放大倍数。
    3. 场效应管是利用多子导电,三极管是即利用多子又利用少子。少子的浓度收到温度、辐射等外界条件影响场效应管相比于三极管温度稳定性好、抗辐射能力强。
    4. 当场效应管的源极和衬底没有连接在一起时,源极和漏极可以互换使用。而三极管的集电极和设计差异很大,不能互换。
    5. 场效应管的噪声系数小,在信噪比是主要矛盾时选择场效应管。

     

     

     

    附录 参考文档

    [1] https://wenku.baidu.com/view/4ea6b240a8956bec0975e367.html

    [2] http://www.dgxue.com/chuji/dzjc/pnj/948.html

    [3] https://wenku.baidu.com/view/cd29691431126edb6f1a1042.html

    [4] https://wenku.baidu.com/view/ef885a79b52acfc789ebc9cc.html

    [5] https://wenku.baidu.com/view/e3b7c638376baf1ffc4fad7e.html

    [6] http://www.elecfans.com/yuanqijian/mosfet/20170327500967_a.html

    [7] https://wenku.baidu.com/view/4c662a1e6bd97f192279e970.html?re=view

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