模拟电子摘要

基于华成英、童诗白主编的《模拟电子技术基础（第四版）》。

一、常用半导体器件的工作原理

1.1 从本征半导体到杂质半导体，再到PN结

• 本征半导体：
  • 导体：一般为低价（此处的价指的是化合价，下同）元素， 最外层电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，从而表现出导电性。
  • 绝缘体：一般为高价元素，最外层电子受原子核束缚力很强， 很难成为自由电子，所以导电性很差。
  • 半导体：通常使用4价的硅（Si）或锗（Ge）元素， 其导电能力介于以上两者之间，且光照和温度对其导电性的影响也很明显。
  • 本征半导体：
    • 是指将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体。
    • 此时其内部的原子在空间会形成整齐排列的点阵，称为晶格。 为方便理解，可认为每个原子在上、下、左、右四个方向均有一个相邻的原子。
    • 相邻2个原子最外层的一对电子（即价电子）不仅围绕所属原子核运动， 还会出现在相邻原子的轨道，成为共用电子， 从而形成共价键结构（注：此结构是半导体能被利用的大前提！）。
    • 共价键具有很强的束缚力，在常温下仅有极少数的价电子 由于热激发（热运动）而获得足够能量成为自由电子， 此时便在共价键留下一个空位，称为空穴。失掉电子的原子带正电， 或者说空穴带正电。
    • 本征半导体内的自由电子和空穴均参与导电过程，它们可统称为载流子。
    • 温度的改变只会引起本征半导体导电性的变化， 若想要更多特性则需要进一步改造，详见后文。
• 杂质半导体：
  • P型半导体：
    • 在纯净的硅晶体混入3价元素（例如硼），取代原先部分硅原子。
    • 由于杂质原子最外层只有3个价电子，所以在与周围的硅原子形成共价键时， 便产生了1个空位。
    • 此空位吸引相邻硅原子的外层电子（杂质原子比硅原子得电子能力强）到此填补， 被夺去电子的硅原子的共价键便产生1个空穴。
    • 杂质原子失去电子而成为负离子，但固定在晶格上不能移动，而空穴可以移动（相对地）， 所以空穴是导电的主要因素。此时的空穴为多数载流子，简称多子。
    • 由于多子带正电（Positive），因此将这种杂质半导体称为P型半导体。 注意：整体仍呈电中性。
  • N型半导体：
    • 在纯净的硅晶体混入5价元素（例如磷），取代原先部分硅原子。
    • 由于杂质原子最外层有5个价电子，所以在与周围的硅原子形成共价键时， 便多出1个电子。
    • 此电子只需要很少的能量，便能挣脱原子核的束缚，成为自由电子。
    • 杂质原子失去电子而成为正离子，但固定在晶格上不能移动，而挣脱束缚的那个电子可以， 所以自由电子是导电的主要因素，即多子。
    • 由于多子带负电（Negative），因此将这种杂质半导体称为N型半导体。 注意：整体仍呈电中性。
• PN结：
  • 将P型半导体与N型半导体结合在一起，其交界面就是PN结。
  • 扩散运动：
    • 由浓度差引发。
    • 主要参与者是多子。
    • 运动结果是在交界面形成负离子区（在P端）和正离子区（在N端）， 统称空间电荷区（又叫耗尽层），产生的内电场会阻碍扩散运动
    • 空间电荷区里的正、负离子均不能移动，能移动的空穴和自由电子非常少， 所以在近似分析时只考虑内电场的强度，进而与电荷区的宽度相关。
  • 漂移运动：
    • 由内电场引发。
    • 主要参与者是少子。
    • 运动结果是使空间电荷区变薄，与扩散运动效应叠加形成动态平衡 ——即空间电荷区达到一定宽度，但总电流为0。
  • 单向导电性：
    • 正接（电源正极接P端、负极接N端，外电场方向与内电场相反）时 会将多子推向耗尽层，使其变窄，削弱内电场，使扩散运动能持续进行， 产生正向电流，PN结导通。
    • 反接时会使耗尽层变宽，加强内电场，阻止扩散运动，加剧漂移运动， 产生反向电流。不过由于是少子数目极少，所以反向电流极其微弱， 故可认为PN结处于截止状态。
  • 伏安特性：
    • 伏即电压单位，安即电流单位，则伏安特性揭示的是电压与电流的运算关系 （公式略）。
    • 正向特性：导通，且当电压大于一定值之后，电流随电压按指数规律变化。 公式略。
    • 反向特性：
      • 截止：仍是沿用正向特性的公式。当反向电压的绝对值远大于某个值且未产生击穿时， PN结会存在一个近似恒定的反向饱和电流，该电流非常小， 近似分析时可认为处于截止状态。
      • 击穿：存在一个反向电压值，当超过该值后，反向电流急剧增加， 此现象称为击穿。需要注意的是：击穿不意味着损坏，只要将电流限制在一定范围内， PN结仍可正常工作，稳压二极管就是基于击穿原理而制成的。
        • 齐纳击穿：杂质多、耗尽层窄（因载流子密度大，窄区已足以形成强电场）、 所需反向电压低（< 4V）。
        • 雪崩击穿：杂质少、耗尽层宽（因载流子密度小，要宽区才能形成强电场）、 所需反向电压高（> 7V）。
  • 电容效应：电容值通常很小（pF级别），只在高频信号才考虑，暂略。

1.2 半导体二极管

• 伏安特性：由于是在PN结的基础上进行封装，所以伏安特性也类似， 只是封装工艺改变了压降，还有表面漏电流的存在，具体值会不同，暂略。

• 等效电路：暂略。

• 类型：

  • 稳压二极管：
    • 工作在反向击穿状态。
    • 在一定的电流范围内（或者说功率损耗范围内），端电压几乎不变。
    • 反向电流小于某个值时没有稳压作用，大于某个值又会烧坏， 只有处于这两个值之间才能正常工作，且电流越大，稳压效果越好。
    • 不同型号的二极管的击穿电压差别很大，同一型号也会因为工艺的误差而存在一定差别。
    • 正向压降则与普通二极管相近，通常很小，零点几伏至几伏。
  • 其他：发光二极管、光电二极管等，暂略。

1.3 晶体三极管

• 结构：3区2结
  • 基区（Base Region，简记为b）：很薄、杂质很少、位于其余两区中间。
  • 发射区（Emitter Region，简记为e）：杂质很多。 与基区接触形成的PN结叫发射结（Emitter Junction）。
  • 集电区（Collector Region，简记为c）：面积很大。 与基区接触形成的PN结叫集电结（Collector Junction）。
• 极性：
  • NPN：基区是P区，其余两区是N区。
  • PNP：基区是N区，其余两区是P区。
• NPN型三极管放大原理的定性分析：
  • 共射电路：
    • e极接地。
    • 发射结正向偏置（即：U_b > U_e）：
      • e区与b区之间处于导通状态。
      • 空穴从b区扩散到e区，但因b区很薄且杂质少，所以空穴电流极微弱，可忽略。
      • 大量自由电子从e区扩散到b区，除少数流向b区与空穴复合， 绝大部分在外电场的作用下漂移到c区，这也是输出电流的主力。
    • 集电结反向偏置（即：U_c > U_b）：
      • 对于b区和c区的多子而言是截止状态，会阻碍它们的扩散运动。
      • 其外电场对于从e区漂移至此的电子有助推作用， 会帮助它们越过集电结，形成漂移电流。
    • 总结：
      • 用b极小电流，控制c极大电流。
      • 有3个工作状态区域：
        • 截止区：
          • b极与e极间电压小于开启电压，确保不导通，e极不发射电子。
          • 集电结反向偏置，确保c极（几乎）不产生电流。
        • 放大区：
          • b极与e极间电压大于开启电压，确保导通，使e极发射电子。
          • 集电结反向偏置，产生外电场帮助从e极漂移而来的电子越过集电结。
          • 此时c极电流几乎仅由b极电流决定，而与U_ce无关。
        • 饱和区：
          • b极与e极间电压大于开启电压，确保导通，使e极发射电子。
          • 集电结正向偏置，产生的外电场对从e极漂移而来的电子有排斥作用， 会阻碍一部分越过集电结。
          • 此时c极电流不仅与b极电流有关，而且会随着U_ce的增大（即正偏减弱）而增大。 在实际的电路中，会表现为当U_be增大，b极电流也随之增大， 但c极电流增幅不明显甚至不变，即说明进入饱和区。
  • 共集电路：详见第二章“基本放大电路”的分析，需要结合静态工作点来理解。
  • 共基电路：详见第二章“基本放大电路”的分析，需要结合静态工作点来理解。
• PNP型三极管放大原理的定性分析：
  • 共射电路：略
  • 共集电路：略
  • 共基电路：略
• 电流放大系数：
  • 共射电流放大系数：𝛽 = 集电极电流 / 基极电流 » 1（小功率管可达三、四百倍， 大功率管最低则只有三、四十倍）
  • 共基电流放大系数：𝛼 = 集电极电流 / 发射极电流 = 𝛽 / (1 + 𝛽) ≈ 1
  • 注意：
    • 以上两个系数实际上要细分为直流系数和交流系数（相应地要代入直流量或交流量来计算）， 不过在近似分析中可不作区分。但由于结电容的存在，交流系数是频率的函数， 若频率高到一定程度时，𝛽不仅下降，还会产生相移，并将𝛽降到1时的频率值称为 特征频率f_T。
    • 以上两个系数是基础中的基础，后文很多物理量的推导都会用到，值得一提的是， 共基电路的截止频率是共射电路的截止频率的(1 + 𝛽)倍——这也是共基电路能用于高频、 宽频电路的理论依据。

1.4 场效应管

1.4.1 结型管（JFET）

• 结构：3极2结
  • 栅极或门极（Gate，简记为g）：2个高掺杂区（其中一个是衬底）连在一起引出的电极， 与s极（即源极）一起控制导电沟道的通断。
  • 源极（Source，简记为s）：主体区域的其中一端，在此极与g极之间加反向电压， 产生耗尽层来改变导电沟道的宽度，进而控制沟道的通断。注意： 由于g极实际上连接着2个区，所以与本极接触产生2个背向的PN结。
  • 漏极（Drain，简记为d）：主体区域的另一端，为载流子提供驱动电压， 形成d-s方向的电流，可用“载流子的流出端”来助记。注意： 由于本极与s极位于相同主体，所以不产生PN结，且工艺构造相同，可互换使用。
• 极性：
  • N沟道：d、s极位于N型半导体，g极连接2个高掺杂的P区。
  • P沟道：d、s极位于P型半导体，g极连接2个高掺杂的N区。
• 恒流特性的定性分析：
  • g、s极间电压为0时，耗尽层很窄，导电沟道（即d、s极之间的非耗尽层区域）很宽。
  • 在g、s极之间加上反向电压（即：对于N沟道有U_g < U_s， 对于P沟道则相反），电压绝对值越大，耗尽层越宽，导电沟道越窄， 直至达到某个电压值（称为夹断电压）时沟道消失，此时沟道电阻趋向于无穷大， 此时所处的状态也叫夹断区。
  • 当g、s极间反向电压介于0至夹断电压之间的某个固定值时， 再在d、s极施加一个正向电压（即：U_d > U_s）， 就会产生一个从d极流向s极的电流，且变化规律如下：
    • 因d极与s极构造相同，且两者与g极的间距呈对称性——换句话说： 前述g-s间的导电规律也适用于g-d搭配，再考虑d-s间的相互作用即可。
    • 当d-s电压逐渐增大，则d端的导电沟道将比s端更窄（s端宽度保持恒定）， 但只要不出现夹断区域，沟道电阻仍基本固定（取决于g-s电压）， 详细原因不在此展开，只需知道由于电阻不变、电压增大，则d-s方向的电流也将线性增大， 但此时的状态习惯上不叫放大区，而叫可变电阻区（也叫非饱和区）， 因为施加不同强度的g-s电压可得到不同的d-s间等效电阻， 而产生所需电阻值是进入饱和区的前置步骤。
    • 当d-s电压增大至d端出现夹断区（此阶段又叫预夹断）， 电压再继续增大，夹断区就逐渐从d端向s端蔓延，在此过程中电场的增强与沟道阻力的增大相抵消， 电流几乎不变，即进入了恒流区（也叫饱和区，这也是场效应管可利用的特性）。
• 与三极管的对比：
  • 工作状态不同：
    • 三极管要工作在放大区。
    • 场效应管要工作在饱和区。
  • 控制原理不同：
    • 三极管是小电流控制大电流，因此重要参数是电流放大系数。
    • 场效应管使用不同强度的电压产生不同强度的恒定电流，因此重要参数是低频跨导（解释： 低频是因为电容效应在低频下不明显，近似分析时可忽略，高频则不能； 跨是指此横跨输入与输出回路；导是指电导，是电阻的倒数）。
  • 输入功耗不同：
    • 三极管需要索取一定的输入电流，亦即产生一定的输入功耗。
    • 场效应管的输入电流极小，几乎不产生输入功耗，输入阻抗也高（结型场效应管在10^7欧姆以上， 后面的MOS管更是在10^10欧姆以上）。
  • 特性曲线不同：
    • 输入特性曲线：描述输入回路之中电流随电压而变化的规律，三极管有， 场效应管无（原因是场效应管的输入回路几乎不产生电流，可近似认为是输入电压直接控制输出电流）。
    • 输出特性曲线：描述输出回路之中电流随电压而变化的规律，两者均有， 但注意曲线的控制源不同——三极管是输入电流，场效应管则是输入电压。
    • 转移特性曲线：描述输出回路的电流随输入回路的电压而变化的规律，三极管无， 场效应管有，原因与输入特性曲线相反。
  • 稳定性不同：
    • 三极管内既有多子也有少子参与导电，而少子的数目受温度、辐射等因素影响较大， 容易产生干扰。
    • 场效应管只有多子参与导电，稳定性要好得多。
  • 集成度不同：场效应管工艺更简单、更省电、工作电压范围更宽， 因而集成度比三极管高得多。
  • 三极管主要用于模拟电路，场效应管主要用于数字电路，尤其是集成度比较高的。

1.4.2 绝缘栅型管（MOSFET，即MOS管）

• 增强型MOS管与结型管的对比：
  • 多了一层二氧化硅绝缘层，g极则是在该绝缘层上铺设的一层金属铝， 不会与半导体有接触。
  • 多了一个B极：由衬底（Bottom）引出，但该电极通常与s极直接相连 （结型管的衬底则必须与g极相连）。
  • 掺杂区相反：s极和d才是接高掺杂区。
  • 控制导电沟道宽度的是反型层：在耗尽层的基础上继续吸引载流子而形成的电荷区。
  • d-s电压与g-s电压同极性（结型管则是反极性）。
  • 其余原理与结型管相似。
• 耗尽型管与增强型管的对比：
  • 在二氧化硅绝缘层注入大量正离子（N沟道）或负离子（P沟道）， 这样即使g-s电压为0，也会产生反型层。
  • d-s电压与g-s电压既可是同极性，也可以是反极性。
  • 其余原理与增强型管相同。
• VMOS管：改变MOS管的物理造型，增大d极区域、g极改成V字型，以便快速散热， 并允许高功率（最大可达千瓦以上）运行。

1.5 单结晶体管和晶闸管

暂略

二、基本放大电路

2.1 无源元件与有源元件的区别

• 无源元件是指无需外部电源即可工作、并且仅被动响应电信号的元件， 例如电阻、二极管、电感、电容。

• 有源元件是指需要外部电源才能工作、并且能主动控制电信号的元件， 例如晶体管、场效应管。

2.2 重要性能指标

• 放大倍数：输出量与输入量之比。通常又可细分为：电压放大倍数、电流放大倍数、 互阻放大倍数（量纲为电阻）、互导放大倍数（量纲为电导，即电阻的倒数）。

• 输入电阻：通常是越大越好，表示从信号源获取电压的能力越强（相较于信号源内阻越大， 越接近开路状态，因内阻导致的压降就越小）。

• 输出电阻：通常是越小越好，表示带负载的能力越强（相较于负载的电阻越小， 产生的不必要的功率损耗就越小）。

• 通频带：由于电容、电感效应，在频率过低及过高时， 放大倍数均会下降且产生相移（波形相位偏移）。 在两头取数值为放大倍数的0.707（即根号2的一半）的频率点，中间段即为通频带f_bw， 中间段的放大倍数则叫中频放大倍数，两头的频率分别叫下限截止频率f_L、 上限截止频率f_H。

• 非线性失真系数：所有谐波幅值与基波幅值之比的平方和再开方。

• 最大不失真输出电压：当非线性失真系数达到一定值（例如10%）时的输出电压， 可以使用有效值，也可以使用峰值，且后者是前者的2倍根号2。

• 最大输出功率与能量利用率：均是在不失真的情况下。

2.3 直流通路与交流通路

• 直流通路：
  • 定义：在直流电源的作用下，直流电流流经的通路，可用于研究静态工作点。
  • 特点：
    • 电容视为开路。
    • 电感线圈视为短路。
    • 信号源简化成一个电阻，阻值大小由其内阻决定。
• 交流通路：
  • 定义：在交流输入信号的作用下，交流信号流经的通路，用于研究动态参数。
  • 特点：
    • 大容量电容社为短路。
    • 无内阻的直流电源视为短路。
  • 注意：交流物理量也包含（静态）直流分量，例如：U_i = V_BB + ∆u， 而不是U_i=∆u。
• 分析原则：
  • 先静态（直流通路），后动态（交流通路）。
  • 只有静态工作点合适，动态分析才有意义。
  • 两种通路不可混淆。例如后文在分析静态工作点的漂移原因和稳定电路的原理时， 即使同时考虑交流信号的变化也不会有影响，因为静态工作点走的是直流通路， 而交流信号走的是交流通路。

2.4 静态工作点（Q点）

• 定义：能保证在无交流输入信号时就处于导通状态、 有交流输入信号时能保证不失真的一组(输入电流, 输入电压, 输出电流, 输出电压)直流物理量。 其中，可认为输入电压已知且固定（例如硅三极管的b-e压降为0.7V，锗三极管为0.2V）。

• 变量：已在其定义给出。

• 必要性：已在其定义有解释。

• 求解：
  • 输入Q点（仅晶体管）：
    • 实测并绘制放大管的输入特性曲线。
    • 由输入回路的电流方程绘制输入回路负载线。注意该负载线是直线， 且斜率为-1/Rb。
    • 两条线的交点即为Q点。
    • R_b的影响：由电路图、回路方程以及上述两条曲线可知， 当输入电压固定时，R_b越小，Q点就越高。并且因为输入特性曲线是指数函数， 越高的点的切线斜率越大，所以微弱的输入交流信号电压就能产生较大的输入电流， 传导到输出回路就能产生更大的输出电压，所以电压放大倍数越大。
  • 输出Q点：
    • 实测并绘制放大管（即晶体管或场效应管）的输出特性曲线。
    • 由输出回路的压降方程绘制输出回路负载线。注意该负载线是直线， 且斜率为-1/Rc。
    • 任意指定一个输入电流值所对应的那条输出特性曲线与输出回路负载线的交点即为Q点。
    • R_c的影响：由电路图、回路方程以及上述两条曲线可知， 对于特定的输出电流值，当R_c越小，输出负载线就越陡， 意味着相同强度的输出交流信号电流能产生的输出交流压降就越小， 所以电压放大倍数越小。
• 位置的重要性：
  • 以共射电路为例，用输出回路图来帮助理解。
  • 当Q点过低，就靠近截止区，容易产生截止失真， 解决方案一般是提高基极电压。
  • 当Q点过高，就靠近饱和区，容易产生饱和失真，解决方案有：
    • 增大基极电阻R_b，使基极静态电流减小， 进而集电极静态电流也减小，使输出特性曲线下移，交点（即Q点）也跟着下移， 远离饱和区。
    • 减小集电极电阻R_c，使输出负载线变陡峭， 并以横轴交点为原点顺时针旋转偏移，则Q点亦会向右远离饱和区。
• Q点漂移：
  • 饱和漂移：温度升高 -> 𝛽增大 -> 集电极电流增大 -> Q点向左上方漂移。
  • 截止漂移：与上相反。
• 稳定电路：令静态基极电流向𝛽反方向变化：
  • 直流负反馈：e极不直接接地，而是串联一个电阻（直接耦合）， 还可在该电阻处再并联一个电容（阻容耦合）。
  • 温度补偿：输出回路接上二极管、热敏电阻等，对基极电流进行分流。
  • 以上两种方法也可同时使用。

2.5 微变等效电路

• 由于未考虑结电容的作用，因此只适用于低频、小信号的情况。

• h（Hybrid，混合）参数等效模型的推导需要用到电路分析的知识， 所以推导过程暂略，此处仅给出结论，即4个参数的物理意义分别为：
  • b-e间的动态电阻r_be
  • 内反馈系数（输出电压对输入电压的影响程度，通常小于10^-2，可忽略）
  • Q点附近的电流放大系数𝛽
  • c-e间的动态电导（其倒数则为电阻，其值在几百千欧以上）
• 若忽略内反馈系数，则共射电路的h参数等效模型可简化为：
  • 输入回路：电流、r_be
  • 输出回路：受控电流源
• 在上述简化模型的基础上，共射电路的交流通路的输入回路再串联一个R_b、 输出回路再并联一个R_c（也可以根据诺顿定理变换成电压源串联一个电阻）。

2.6 晶体管放大电路的3种基本接法（电压式）

• 共同原则：
  • 确保处于导通状态：发射结正向偏置（即：U_b > U_e）
  • 确保工作在放大区：集电结反向偏置（即：U_c > U_b）
  • 看交流通路下是哪个极接地来判断是哪种接法。
  • 注意等效变换的技巧，以及各个参数的计算方法，尤其是输入电阻和输出电阻。
• 重要特征：
  • 共射接法最简单，能同时放大电流和电压，但其余参数不够理想。
  • 共集接法不能放大电压（电压放大倍数略小于1且同相，即具有电压跟随的特点， 又由于从e极引出，所以又叫射极跟随器或射极输出器。
  • 共基接法不能放大电流，但频带宽、高频特性好 （详细推导见后面第5.1章节的频率响应概述、第5.2章节的混合𝜋模型， 还要注意到在推导过程中用到共基𝛼系数与共射𝛽系数的倍数关系）。
  • 详细对比：

    接法	电路重点	交流等效电路	电流放大	电压放大	输入电阻	输出电阻	用途
    共射	电阻：Rb、Rc 接地：e极 电压引出点：c极、GND	输入回路：Rb串rbe 输出回路：内阻为Rc的受控电流源（并）或电压源（串）	高	高、反相	中：Rb + rbe	大：Rc	低频电压放大电路、中间级
    共集	电阻：Rb、Re 直连电源：c极 电压引出点：e极、GND	比共射模型稍微复杂， 输入输出回路不分离、 所以会互相影响， 例如电阻效应会有缩放	高	/	大 （Re扩）	小 （Rb缩）	输入级、输出级、缓冲级
    共基	电阻：Re、Rc 接地：b极、Vcc负极 电压引出点：Rc两端	与共集模型有点相似， 但电流源位置不同， rbe位置也不同	/	高	小	大：Rc	高频、宽频

2.7 场效应管放大电路的3种基本接法（电压式）

• 与晶体管相似，不赘述。

• 由于共栅类比于共基，输入电阻小、高频特性好，但场效应管本身的高频特性已足够好， 使用其他两种接法也无妨，而且使用场效应管的场合通常是想利用其输入阻抗大的特点， 所以共栅接法优势不明显，因此很少使用。

2.8 复合管电路

待补充……

三、多级放大电路

常见的耦合方式、差分放大电路等。

待补充……

四、集成运算放大电路（运放）

待补充……

五、放大电路的频率响应

待补充……

六、放大电路的反馈

主要是负反馈。

待补充……

七、运算电路和滤波电路

待补充……

八、波形的发生和信号的转换

正弦波振荡电路、非正弦波发生电路（矩形、三角、锯齿波等）、电压比较器、电压-频率转换电路等。

待补充……

九、功率放大电路

待补充……

十、直流电源

单相桥式整流、电容滤波、稳压（稳压管、串联型、开关型）电路等。

待补充……