模拟电路基础知识

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，即或。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或，并且或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，或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：，和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：,式中为反向饱和电流，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和雪崩击穿两种情况。

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。