模电 第一章

第一章 半导体器件
此时, ＰＮ结处于导通状态, 它所呈现出的电阻为正向 电阻, 其阻值很小。 正向电压愈大, 正向电流愈大。其关
系是指数关系：
ID ISe
U UT
式中, ＩＤ为流过ＰＮ结的电流；U为ＰＮ结两端电压；
kT UT q , 称为温度电压当量, 其中k为玻耳兹曼常数, Ｔ为绝对温度 ,q为电子的电量 ,在室温下即 Ｔ＝３００Ｋ 时,ＵＴ＝２６ｍＶ；ＩＳ为反向饱和电流。电路中的电阻 Ｒ是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。
身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高,
基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度 十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高８℃, 本征载流 子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高１２℃,
ｎｉ增加 1 倍。 除此之外, 半导体载流子浓度还与光照有
关, 人们正是利用此特性, 制成光敏器件。
第一章 半导体器件
外电场
外电场
P
N
P
N
ID
自建场
自建场
＋ － U R
－ ＋ U R
(a ) 外加正向电压
(b ) 外加反向电压
图 1 - 7 PN结单向导电特性
第一章 半导体器件
2. 若将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区, 则称此为反向接法
或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建
场方向相同, 增强了自建场, 使阻挡层变宽, 如图１-７(ｂ)所 示。 此时漂移作用大于扩散作用, 少数载流子在电场作用下 作漂移运动, 由于其电流方向与正向电压时相反, 故称为反 向电流。 由于反向电流是由少数载流子所形成的, 故反向电 流很小, 而且当外加反向电压超过零点几伏时, 少数载流子 基本全被电场拉过去形成漂移电流, 此时反向电压再增加, 载流子数也不会增加, 因此反向电流也不会增加, 故称为反 向饱和电流, 即 ＩＤ＝－ＩＳ。

(3)设v12=f(i1+i2)，试问v12是否等于(v1+v2) ？
例题求解(1)
(1) i1=5A时, v1=1005+53=625V
i2=10A时, v2=10010+103=2000V
i3=0.01A时, v3=1000.01+(0.01)3=(1+10-6)V i4=0.001A时, v4=1000.001+(0.001)3=(0.1+10-9)V • 从上述计算可以看出，如果把这个电阻作为 100W的线性电阻，当电流不同时，引起的误差
v12 v1 v2
所以叠加定理不适用于非线性电路。
非线性电阻元件串联或并联
当非线性电阻元件串联或并联时，只有所有非线性 电阻元件的控制类型相同，才有可能得出其等效电 阻伏安特性的解析表达式。 如果把非线性电阻串联或并联为一个单端口网络， 则网络端口的电压电流关系被称为此端口的驱动点 特性。
电磁感应现象（1831年），电磁学得到了飞速发展。
另一方面，电路的研究也在发展。欧姆发现了欧姆
定律（1826年），基尔霍夫发现了电路网络的定律
（1849年），从而确立了电工学。
电子技术的发展
当代是电子学繁荣昌盛的时代，与电子电路元器件(电
子管-晶体管-集成电路)的不断发展有着密切的关系。
电子管：
1903年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电
根据KCL有
v f i f1 i f 2 i
这表明两个电流控制的非线性电阻串联组合的等效电 阻还是一个电流控制的非线性电阻
图解方法分析非线性电阻的串联电路
i1

i2
v

v f i v f2i2 2 v f1i1 1

由此可知，在常温下，半导体内存在着两种载流子，一 种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。所以半导 体在外加电压作用下，两种载流子将会同时参与导电，如图 1.4所示。其中，In 表示电子形成的电流，Ip表示空穴形成 的电流。
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第1章 半导体器件
图1.4 半导体内部载流子的运动
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第1章 半导体器件
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第1章 半导体器件
3) 掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的杂质元素能使其导电性能 发生显著变化，这种特性称为掺杂特性。例如在纯净的硅中 掺入百万分之一的杂质，其导电能力可以增强上百万倍。各 种半导体器件的制作，正是利用掺杂特性来改变和控制半导 体的导电能力的。 此外，半导体的导电能力还会随着电场、磁场的作用而 变化。 为什么半导体会有这些独特的导电性能呢？这主要是由 其内部的原子结构所决定的。
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第1章 半导体器件
1.1.2 半导体的原子结构 用来制造晶体管的半导体材料主要是硅和锗。下面就来
讨论这两种半导体材料的原子结构。 1. 单个原子结构 硅的化学元素符号是Si，它有一个带正电的原子核和14
个带负电的电子。电子分三层绕原子核不停地旋转，如图 1.1(a)所示。由于原子核带14个电子电量的正电，因此正常 情况下原子呈中性。锗的化学元素符号是Ge，它共有32个电 子，分四层绕原子核不停地转动，如图1.1(b)所示。
第1章 半导体器件
第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管 本章小结 练习题
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第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 半导体的基本特性 1. 什么是半导体 自然界中的物质，按其导电能力的强弱，可分为导体、

A(
jω
)
=
Vo Vi
( (
jω) jω)
（1.16）
在对一个电路进行分析以确定它的频率响应时，可以通过使用复数频率变量 s 来简化运算，即一 个电感 L 的阻抗是 sL，电容 C 的阻抗是 1/sC。用阻抗代替相应的电抗元件并进行标准的电路分析，
第 1 章 模拟电子电路导论
就可以得到如下的传输函数 A(s)： A(s) = Vo (s) Vi (s)
几乎全被放大器吸取。
3. 输出电阻 Ro 输出电阻是放大器在输出端的等效电阻，同时作为放大器的内阻，它的大小决定了放大器带负
载的能力。其定义为
vt
R = | o
vsig =0
it RL →∞
（1.9）
图 1.8（b）所示为输出电阻的测试方法，在输出端加一测试电压vt，由其引起的电流为it，通过计算两
益有 4 种定义：
电压增益
Av
=
vo vi
，相应的放大器称为电压放大器；
电流增益
Ai
=
io ii
，相应的放大器称为电流放大器；
互阻增益
Ar
=
vo ii
，相应的放大器称为互阻放大器；
互导增益
Ag
=
io vi
，相应的放大器称为互导放大器。
也就是说，放大器根据输入、输出量的不同，可以分为 4 类基本放大器。每一类对信号源要求不同，
增益： vo is
= Rm
RS RS + Ri
RL RL + Ro
。
频特性在一定宽度的频率范围之内，增益几乎是固定不变的，这个频率范围称为“中频区”，而当频
率很高或很低时，增益会逐渐减小，分别称为“高频区”和“低频区”。若中频增益为A0，则随着频 率的升高或降低，增益会下降，当增益下降到 A0 / 2 时，对应的频率分别为上限截止频率 fH 和下限 截止频率 fL 。