半导体器件速查指南

半导体器件 - 引言

人们普遍认为，原子核到特定原子电子的距离并不相等。通常，电子在明确定义的轨道上旋转。外壳或轨道只能容纳一定数量的电子。原子的导电性主要受外层电子的影响。这些电子与导电性关系密切。

导体和绝缘体

导电是电子不规则或不受控制运动的结果。这些运动导致某些原子成为良好的导体。具有这种类型原子的材料在外壳或轨道中具有许多自由电子。

相比之下，绝缘材料的自由电子相对较少。因此，绝缘体的外层电子往往牢牢地保持在其位置，几乎不允许任何电流流过它。因此，在绝缘材料中，几乎不会发生导电。

半导体

在导体和绝缘体之间，还有第三类原子（材料），称为半导体。通常，半导体的电导率介于金属和绝缘体的电导率之间。然而，在绝对零度下，半导体也表现得像完美的绝缘体。

硅和锗是最常见的半导体元素。氧化铜、硫化镉和砷化镓是一些其他常用半导体化合物。这类材料通常归类为IVB族元素。这类原子有四个价电子。如果它们可以放弃四个价电子，就可以实现稳定性。也可以通过接受四个电子来实现。

原子的稳定性

原子的稳定性概念是半导体材料状态的重要因素。价带中的电子最大数量为8。当价带中恰好有8个电子时，可以说该原子是稳定的。在稳定的原子中，价电子的结合非常牢固。这些类型的原子是优良的绝缘体。在这些原子中，没有自由电子用于导电。

稳定的元素例子包括氩、氙、氖和氪等气体。由于它们的特性，这些气体不能与其他物质混合，通常被称为惰性气体。

如果外壳中的价电子数少于8，则称该原子不稳定，即价电子少于8个的原子不稳定。它们总是试图从相邻原子借用或捐赠电子以变得稳定。外壳中具有5、6或7个价电子的原子倾向于从其他原子借用电子以寻求稳定，而具有1、2或3个价电子的原子倾向于将其电子释放给其他附近的原子。

原子结合

任何有重量的东西都是物质。根据原子理论，所有物质，无论是固体、液体还是气体，都是由原子组成的。原子包含一个称为原子核的中心部分，其中包含中子和质子。通常，质子是带正电的粒子，而中子是中性粒子。带负电的电子以类似于行星围绕太阳排列的方式排列在原子核周围的轨道上。下图显示了原子的组成。

发现不同元素的原子具有不同数量的质子、中子和电子。为了区分一个原子与另一个原子或对各种原子进行分类，为每个已识别元素的原子分配一个数字，该数字表示给定原子核中质子的数量。这个数字被称为该元素的原子序数。与半导体研究相关的某些元素的原子序数如下表所示。

元素	符号	原子序数
硅	Si	14
锗	Ge	32
砷	As	33
锑	Sb	51
铟	In	49
镓	Ga	31
硼	B	5

通常，原子具有相同数量的质子和行星电子，以保持其净电荷为零。原子经常通过其可用的价电子结合形成稳定的分子或化合物。

自由价电子的结合过程通常称为键合。以下是原子组合中发生的各种键合类型。

离子键
共价键
金属键

现在让我们详细讨论这些原子键合。

离子键

当原子结合在一起形成分子时，每个原子都在寻求稳定。当价带包含8个电子时，它被称为稳定状态。当一个原子的价电子与另一个原子的价电子结合以变得稳定时，这被称为离子键。

如果一个原子在外壳中拥有超过4个价电子，它就会寻求额外的电子。这种原子通常被称为受体。
如果任何原子在外壳中拥有少于4个价电子，它们就会试图移出这些电子。这些原子被称为施主。

在离子键合中，施主和受体原子经常结合在一起，并且该组合变得稳定。食盐是离子键合的常见例子。

下图说明了独立原子和离子键合的例子。

在上图中可以看到，钠 (Na) 原子将其 1 个价电子捐献给具有 7 个价电子的氯 (Cl) 原子。当氯原子获得额外的电子时，它会立即变得负电荷过量，这导致原子变成负离子。另一方面，钠原子失去其价电子，然后钠原子变成正离子。正如我们所知，异性电荷相吸，钠和氯原子通过静电力结合在一起。

共价键

当相邻原子的价电子与其他原子共享时，就会发生共价键合。在共价键合中，不会形成离子。这是共价键合和离子键合的一个独特区别。

当一个原子在外壳中包含四个价电子时，它可以与四个相邻原子共享一个电子。在两个连接电子之间建立了共价力。这些电子交替地在原子之间移动轨道。这种共价力将各个原子结合在一起。共价键合的示意图如下所示。

在这种排列中，只显示每个原子的原子核和价电子。由于各个原子结合在一起，因此产生了电子对。在这种情况下，需要五个原子才能完成键合作用。键合过程向各个方向扩展。每个原子现在都通过晶格网络连接在一起，并且通过该晶格网络形成晶体结构。

金属键

第三种键合类型通常发生在良好的导体中，称为金属键合。在金属键合中，正离子和电子之间存在静电力。例如，铜的价带在其外壳中有一个电子。这个电子倾向于在不同原子之间的材料中四处移动。

当这个电子离开一个原子时，它会立即进入另一个原子的轨道。这个过程是重复不断的。当电子离开原子时，原子变成正离子。这是一个随机过程。这意味着一个电子总是与一个原子相连。但这并不意味着电子与一个特定的轨道相关联。它总是在不同的轨道上四处游荡。因此，所有原子都可能共享所有价电子。

电子悬浮在一个覆盖正离子的云中。这个悬浮的云将电子随机地键合到离子。下图显示了铜的金属键合示例。

固体材料中的导电性

原子外环中电子的数量仍然是导体和绝缘体之间差异的原因。众所周知，固体材料主要用于电气设备以实现电子传导。这些材料可以分为导体、半导体和绝缘体。

然而，导体、半导体和绝缘体通过能级图进行区分。这里将考虑导致电子离开其价带并进入导带所需的能量。该图是材料中所有原子的组合。绝缘体、半导体和导体的能级图如下所示。

价带

底部部分是价带。它代表最靠近原子核的能级，并且价带中的能级包含平衡原子核正电荷所需的正确数量的电子。因此，该带称为满带。

在价带中，电子紧密地结合到原子核上。向上移动到能级，电子在每个连续的能级中更松散地结合到原子核上。扰动更靠近原子核的能级中的电子并不容易，因为它们的移动需要更大的能量，并且每个电子轨道都具有独特的能级。

导带

图中的顶部或最外层带称为导带。如果电子的能级位于该带内，并且相对自由地在晶体中移动，则它会导电。

在半导体电子学中，我们主要关注价带和导带。以下是关于它的某些基本信息：

每个原子的价带显示外壳中价电子的能级。
必须向价电子添加一定量的能量才能使其进入导带。

禁带

价带和导带由一个间隙（如果存在）隔开，称为禁带。要越过禁带，需要一定的能量。如果能量不足，电子就不会释放出来进行传导。电子将保留在价带中，直到它们接收到额外的能量以越过禁带。

某种材料的导电状态可以用禁带宽度来表示。在原子理论中，禁带宽度用电子伏特 (eV) 表示。一个电子伏特定义为电子在 1 伏特的电位差下获得或损失的能量。每种元素的原子具有不同的能级值，从而允许导电。

请注意，**禁带区**在绝缘体中相对较宽。使绝缘体导电需要非常大的能量。例如，电涌保护器（Thyrite）。

如果绝缘体在高温下工作，则增加的热能会导致价带电子移动到导带。

从能带图可以清楚地看出，半导体的禁带远小于绝缘体的禁带。例如，硅需要获得 0.7 eV 的能量才能进入导带。在室温下，添加热能可能足以导致半导体导电。这种特性在固态电子器件中非常重要。

对于导体，导带和价带部分重叠。从某种意义上说，不存在禁带。因此，价带电子能够释放成为自由电子。通常在正常室温下，导体内部几乎没有发生电传导。

电导率和迁移率

如前所述，每个原子可能有一个或多个自由电子，这些电子在施加电场的影响下穿过金属内部。

下图显示了金属内部的电荷分布。这被称为金属的**电子气模型**。

**阴影区域**代表具有正电荷的原子核。蓝点代表原子外壳中的价电子。基本上，这些电子不属于任何特定的原子，因此它们失去了自身的特性，并在原子之间自由移动。

当电子处于不间断运动时，其传输方向在每次与重离子碰撞时都会发生变化。这是基于金属的电子气理论。碰撞之间的平均距离称为**平均自由程**。电子以随机的方式在给定时间内通过金属中单位面积的反方向运动，使得平均电流为零。

半导体的类型

当电压施加到半导体器件时，电子电流流向电源的正极，空穴电流流向电源的负极。这种情况仅发生在半导体材料中。

硅和锗是最常见的半导体材料。通常，半导体的电导率介于金属和绝缘体的电导率之间。

锗作为半导体

以下是关于**锗**的一些重要要点：

锗的最外层轨道上有四个电子。在键合中，原子仅显示其外层电子。
锗原子将在共价键中共用价电子。如下图所示。锗是与共价键合相关的那些。锗的晶体形式称为晶格。这种结构的原子排列方式如下图所示。
在这种排列中，电子处于非常稳定的状态，因此不太适合与导体相关联。在纯净形式下，锗是一种绝缘材料，称为**本征半导体**。

下图显示了硅和锗的原子结构。

硅作为半导体

半导体器件也使用硅来制造各种电子元件。硅和锗的原子结构如上图所示。硅的晶格结构与锗的晶格结构相似。

以下是关于硅的一些重要要点：

像锗一样，它在其最外层壳层中有四个电子。
纯净形式下，它对半导体器件无用。
可以通过添加杂质来获得所需的电导率。
必须在受控环境下仔细添加杂质。
根据添加的杂质类型，它将产生电子过剩或不足。

下图显示了硅的本征晶体。

半导体掺杂

纯硅或纯锗很少用作半导体。实际上可用的半导体必须添加受控数量的杂质。添加杂质会改变导电能力，使其充当半导体。向本征材料或纯净材料中添加杂质的过程称为**掺杂**，杂质称为**掺杂剂**。掺杂后，本征材料变成外来材料。实际上，只有在掺杂后，这些材料才能使用。

当在不改变晶体结构的情况下向硅或锗中添加杂质时，会产生 N 型材料。在某些原子中，电子在其价带中有五个电子，例如砷 (As) 和锑 (Sb)。用任何一种杂质掺杂硅都不能改变晶体结构或键合过程。杂质原子的额外电子不参与共价键合。这些电子松散地结合在其起源原子。下图显示了通过添加杂质原子来改变硅晶体。

掺杂对 N 型材料的影响

掺杂对 N 型材料的影响如下：

在纯硅中添加砷后，晶体变成 N 型材料。
砷原子具有不参与共价键合过程的额外电子或负电荷。
这些杂质会释放或捐赠一个电子到晶体中，因此被称为施主杂质。
N 型材料比本征材料具有额外的或自由电子。
N 型材料不带负电。实际上，它的所有原子都是电中性的。
这些额外的电子不参与共价键合过程。它们可以自由地在晶体结构中移动。
N 型外延硅晶体只需要施加 0.005 eV 的能量即可导电。
本征晶体的电子只需要 0.7 eV 的能量才能从价带移动到导带。

通常，电子被认为是这种晶体中的多数载流子，而空穴是少数载流子。添加到硅中的施主材料的量决定了其结构中多数载流子的数量。

N 型硅中的电子数量比本征硅的电子-空穴对数量多得多。在室温下，这种材料的电导率存在显著差异。有大量的载流子参与电流流动。这种材料中的电流主要由电子传输。因此，外延材料成为良好的导体。

掺杂对 P 型材料的影响

掺杂对 P 型材料的影响如下：

当在纯硅中添加铟 (In) 或镓 (Ga) 时，会形成 P 型材料。
这种类型的掺杂材料具有三个价电子。它们渴望获得第四个电子。
在 P 型材料中，每个空穴都可以被电子填充。为了填充这个空穴区域，来自相邻共价键合基团的电子只需要很少的能量。
硅通常掺杂的掺杂材料范围为 1 到 10⁶。这意味着 P 型材料将拥有比纯硅的电子-空穴对多得多的空穴。
在室温下，这种材料的电导率存在非常明显的特性差异。

下图显示了当用受主元素（在本例中为铟）掺杂时，硅的晶体结构是如何改变的。一块 P 型材料不带正电。其原子主要都是电中性的。

然而，许多原子基团的共价结构中存在空穴。当电子移动并填充空穴时，空穴就会消失。在电子离开的键合基团中会产生一个新的空穴。空穴的运动实际上是电子运动的结果。P 型材料只需要施加 0.05 eV 的能量即可导电。

上图显示了当 P 型晶体连接到电压源时将如何响应。请注意，空穴的数量比电子多得多。施加电压时，电子会被吸引到电池的正极。

从某种意义上说，空穴向电池的负极移动。此时会拾取一个电子。电子立即填充空穴。然后空穴消失。同时，电子被电池正极从材料中拉出。因此，由于电子在不同的键合基团之间移动，空穴向负极移动。施加能量后，空穴流动是连续的。

半导体器件 - 结二极管

由 P 型和 N 型材料制成的晶体结构通常称为**结二极管**。它通常被认为是双端器件。如下图所示，一个端子连接到 P 型材料，另一个端子连接到 N 型材料。

这些材料连接的公共结合点称为**结**。结二极管允许载流子在一个方向上流动，并阻止电流在反方向流动。

下图显示了结二极管的晶体结构。查看相对于结的 P 型和 N 型材料的位置。晶体结构从一端到另一端是连续的。结仅充当一个分隔点，表示一种材料的结束和另一种材料的开始。这种结构允许电子在整个结构中充分移动。

下图显示了两种半导体物质在形成 P-N 结之前的部分。如指定的那样，材料的每一部分都具有**多数**和**少数载流子**。

每种材料中显示的载流子符号数量表示少数或多数功能。众所周知，电子是 N 型材料中的多数载流子，空穴是少数载流子。在 P 型材料中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

半导体器件 - 耗尽区

最初，当形成结二极管时，载流子之间存在独特的相互作用。在 N 型材料中，电子很容易穿过结填充 P 型材料中的空穴。这种行为通常称为**扩散**。扩散是由于一种材料中载流子高度积累而在另一种材料中载流子聚集较少的结果。

通常，靠近结区的载流子只参与扩散过程。来自N型材料的电子离开后，会在其位置产生正离子。而进入P型材料填充空穴的电子则会在P型材料中产生负离子。结果，结区两侧都包含大量的正离子和负离子。

这些空穴和电子耗尽的区域通常被称为耗尽区。这是一个缺乏多数载流子的区域。通常，PN结形成时就会产生耗尽区。下图显示了PN结二极管的耗尽区。

半导体器件 - 势垒电位

N型和P型材料在它们连接到公共结之前被认为是电中性的。然而，连接后，扩散会立即发生，因为电子穿过结点填充空穴，导致P型材料中出现负离子，这种作用导致结点附近的区域带负电。来自N型材料的电子离开后会在N型材料中产生正离子。

所有这些过程反过来导致结的N侧带净正电。这种特殊的电荷产生倾向于迫使剩余的电子和空穴远离结区。这种作用使得其他载流子难以扩散穿过结区。结果，电荷积聚或势垒电位出现在结区。

如下图所示，产生的势垒电位在PN结上连接了一个小电池。在给定的图中，观察这个势垒电位的极性相对于P型和N型材料。当晶体未连接到外部能源时，就会存在这种电压或电位。

锗的势垒电位大约为0.3V，硅的势垒电位大约为0.7V。这些值不能直接测量，而是出现在结的空间电荷区。为了产生电流传导，必须通过外部电压源克服PN结的势垒电位。

半导体器件 - 结偏置

偏置这个术语指的是施加直流电压以建立某些工作条件。或者当外部能源施加到PN结上时，称为偏置电压或简称为偏置。这种方法可以增加或减少结的势垒电位。结果，势垒电位的降低导致载流子返回耗尽区。以下两种偏置条件应用于PN结。

正向偏置 - 添加与势垒电位极性相同的外部电压，这会导致耗尽区宽度增加。
反向偏置 - 以这样一种方式偏置PN结：施加外部电压的作用阻止载流子进入耗尽区。

正向偏置

下图显示了一个施加外部电压的正向偏置PN结二极管。您可以看到电池的正极连接到P型材料，电池的负极连接到N型材料。

观察结果如下：

该偏置电压排斥每种P型和N型材料的多数载流子。结果，大量空穴和电子开始出现在结区。
在结的N侧，电子移动以中和耗尽区中的正离子。
在P型材料侧，电子被从负离子中拉出，这导致它们再次变为中性。这意味着正向偏置使耗尽区以及势垒电位都坍塌。这意味着当PN结正向偏置时，它将允许持续的电流流动。

下图显示了正向偏置二极管的载流子流动。由于连接到二极管的外部电压源，可以提供稳定的电子供应。电流的流动和方向由图中二极管外部的大箭头表示。注意，电子流和电流流指的是同一件事。

观察结果如下：

假设电子通过导线从电池负极流向N型材料。进入这种材料后，它们立即流向结区。
类似地，在另一侧，相同数量的电子从P侧被拉出并返回到电池正极。此动作会产生新的空穴并导致它们向结区移动。
当这些空穴和电子到达结区时，它们结合在一起并有效地消失。结果，新的空穴和电子出现在二极管的外端。这些多数载流子是持续产生的。只要施加外部电压源，此动作就会持续。
当二极管正向偏置时，可以注意到电子流过二极管的整个结构。这在N型材料中很常见，而在P型材料中，空穴是移动的载流子。注意，一个方向上的空穴运动必须由相反方向的电子运动开始。因此，总电流流是通过二极管的空穴和电子流的总和。

反向偏置

下图显示了施加外部电压的反向偏置PN结二极管。您可以看到电池的正极连接到N型材料，电池的负极连接到P型材料。请注意，在这种布置中，电池极性与二极管的材料极性相反，因此异性电荷相吸。因此，每种材料的多数载流子都被从结区拉开。反向偏置使二极管不导电。

下图显示了反向偏置二极管中多数载流子的排列。

观察结果如下：

由于电路作用，N型材料的电子被拉向电池正极。
每个移动或离开二极管的电子都会在其位置产生一个正离子。结果，这导致结的N侧耗尽区宽度等效增加。
二极管的P侧具有与N侧类似的效果。在此操作中，许多电子离开电池负极并进入P型材料。
然后这些电子直接移动并填充多个空穴。每个被占据的空穴然后变成一个负离子。然后这些离子被电池负极排斥并驱动朝向结区。因此，结的P侧耗尽区宽度增加。

耗尽区的总宽度直接取决于反向偏置二极管的外部电压源。在这种情况下，二极管无法有效地支持电流流过宽的耗尽区。结果，电势开始在结区发展并增加，直到势垒电位等于外部偏置电压。此后，二极管表现为非导体。

半导体器件 - 漏电流

PN结二极管的一个重要的传导限制是**漏电流**。当二极管反向偏置时，耗尽区的宽度会增加。通常，此条件需要限制载流子在结附近的积累。多数载流子主要在耗尽区中被抵消，因此耗尽区充当绝缘体。通常，载流子不会通过绝缘体。

可以看出，在反向偏置二极管中，一些电流流过耗尽区。这种电流称为漏电流。漏电流取决于少数载流子。众所周知，少数载流子是P型材料中的电子和N型材料中的空穴。

下图显示了当二极管反向偏置时载流子的反应。

观察结果如下：

每种材料的少数载流子被推过耗尽区到结区。此动作会导致非常小的漏电流发生。通常，漏电流非常小，可以忽略不计。
在这里，在漏电流的情况下，温度起着重要的作用。少数载流子大多取决于温度。
在25°C或78°F的室温下，反向偏置二极管中存在的少数载流子数量可以忽略不计。
当环境温度升高时，会导致少数载流子产生显着增加，从而导致漏电流相应增加。

在所有反向偏置二极管中，一定程度的漏电流的出现是正常的。在锗和硅二极管中，漏电流分别只有几**微安**和**纳安**。锗比硅更容易受温度影响。出于这个原因，现代半导体器件大多使用硅。

二极管特性

正向偏置和反向偏置操作具有不同的电流刻度。曲线的正向部分表明，当P区变为正而N区变为负时，二极管简单地导通。

在高电阻方向上，二极管几乎不导通电流，即当P区变为负而N区变为正时。现在空穴和电子从结区被排出，导致势垒电位增加。这种情况由曲线的反向电流部分表示。

曲线的虚线部分表示**理想曲线**，如果没有雪崩击穿，就会出现这种情况。下图显示了PN结二极管的静态特性。

二极管IV特性

二极管的正向和反向电流电压（IV）特性通常在一个特性曲线上进行比较。正向特性部分下方的图显示，正向电压和反向电压通常绘制在图的水平线上。

正向和反向电流值显示在图的垂直轴上。正向电压表示在右侧，反向电压表示在左侧。起点或零值位于图的中心。正向电流在水平轴上方延长，反向电流向下延伸。

组合的正向电压和正向电流值位于图的右上角，反向电压和反向电流位于左下角。通常使用不同的比例尺来显示正向和反向值。

正向特性

当二极管正向偏置时，它会沿正向导通电流（IF）。IF的值直接取决于正向电压的大小。正向电压和正向电流的关系称为安培-伏特或二极管的IV特性。下图显示了典型的二极管正向IV特性。

观察结果如下：

正向电压是在二极管上测量的，正向电流是通过二极管的电流的量度。
当二极管上的正向电压等于0V时，正向电流（IF）等于0 mA。
当值从图的起点（0）开始时，如果VF逐步以0.1-V的步长增加，IF开始上升。
当 VF 的值足够大以克服 PN 结的势垒电位时，IF 会大幅增加。发生这种情况的点通常被称为膝盖电压 V_K。对于锗二极管，V_K 大约为 0.3 V，对于硅二极管则为 0.7 V。
如果 IF 的值远超过 V_K，则正向电流会变得非常大。

这种操作会导致结点上产生过多的热量，并可能损坏二极管。为了避免这种情况，需要将一个保护电阻与二极管串联连接。该电阻将正向电流限制在其最大额定值内。通常，当二极管在正向方向工作时，会使用限流电阻。

反向特性

当二极管反向偏置时，它会导通反向电流，通常非常小。上图显示了典型的二极管反向 IV 特性曲线。

该图中垂直的反向电流线上的电流值以微安表示。参与反向电流传导的少数载流子数量非常少。一般来说，这意味着反向电流在很大一部分反向电压范围内保持恒定。当二极管的反向电压从开始增加时，反向电流变化很小。在击穿电压 (VBR) 点，电流会迅速增加。此时，二极管上的电压保持相当恒定。

这种恒压特性导致二极管在反向偏置条件下具有许多应用。导致反向偏置二极管中电流传导的过程称为雪崩击穿和齐纳击穿。

二极管规格

与任何其他选择一样，必须考虑为特定应用选择二极管。制造商通常会提供此类信息。规格包括最大电压和电流额定值、常用工作条件、机械特性、引线识别、安装程序等。

以下是一些重要的规格：

最大正向电流 (IFM) - 二极管能够承受的绝对最大重复正向电流。
最大反向电压 (VRM) - 可以施加到二极管上的绝对最大或峰值反向偏置电压。
反向击穿电压 (VBR) - 发生击穿的最小稳态反向电压。
最大正向浪涌电流 (IFM-surge) - 在短时间内可以容忍的最大电流。该电流值远大于 IFM。
最大反向电流 (IR) - 在器件工作温度下可以容忍的绝对最大反向电流。
正向电压 (VF) - 在器件工作温度下，给定正向电流下的最大正向电压降。
功耗 (PD) - 器件在 25°C 自由空气中能够安全持续吸收的最大功率。
反向恢复时间 (Trr) - 器件从导通状态切换到关断状态所需的最大时间。

重要术语

击穿电压 - 它是 PN 结在反向电流突然上升时击穿的最小反向偏置电压。
膝盖电压 - 它是结点电流开始快速增加时的正向电压。
峰值反向电压 - 它是可以在 PN 结上施加的最大反向电压，而不会损坏它。
最大正向额定值 - 它是 PN 结可以在不损坏的情况下通过的最高瞬时正向电流。
最大功率额定值 - 它是可以在不损坏结的情况下从结中耗散的最大功率。

发光二极管

发光二极管直接或间接地影响着我们的日常生活。从信息显示到 LED 电视，到处都有这些 LED。它基本上是一个 PN 结二极管，当允许正向电流通过时会发出光。下图显示了 LED 的逻辑符号。

PN 结二极管如何发光？

LED 不是由硅或锗制成的，而是由砷化镓 (GaAs) 和磷化镓 (GaP) 等元素制成。这些材料的故意使用是因为它们会发光。因此，当 LED 正向偏置时，电子像往常一样穿过结点并与空穴结合。

此动作会导致 N 型区域的电子脱离导带并返回价带。在此过程中，每个自由电子所具有的能量就会释放出来。一部分释放的能量以热量的形式出现，其余部分则以可见光能量的形式释放。

如果 LED 由硅和锗制成，则在电子复合过程中，所有能量都只会以热量的形式耗散。另一方面，砷化镓 (GaAs) 和磷化镓 (GaP) 等材料拥有足够的产生可见光的光子。

如果 LED 由砷化镓制成，它们会产生红光。
如果 LED 由磷化镓制成，则此类 LED 会发出绿光。

现在考虑将两个 LED 背对背连接到外部电压电源上，使得一个 LED 的阳极连接到另一个 LED 的阴极，反之亦然。当外部电压施加到该电路时，一次只有一个 LED 工作，并且由于该电路的动作，当一个 LED 正向偏置而另一个 LED 反向偏置或反之亦然时，它会发出不同的光。

LED 的优点

LED 提供以下优点：

尺寸非常小。
切换速度非常快。
可以用非常低的电压工作。
非常长的预期寿命。
构造过程允许制造不同形状和图案的 LED。

LED 的应用

LED 主要用于数字显示，显示数字 0 到 9。它们也用于数字仪表、时钟、计算器等中的七段显示器。

半导体器件 - 齐纳二极管

这是一种特殊的半导体二极管，它被设计为在反向击穿区域工作。下图描绘了齐纳二极管的晶体结构和符号。它与传统二极管非常相似。但是，为了将其与普通二极管的符号区分开来，进行了小的修改。弯曲的线表示齐纳的字母“Z”。

齐纳二极管和普通 PN 结二极管最显著的区别在于它们在电路中的使用方式。这些二极管通常只在反向偏置方向工作，这意味着阳极必须连接到电源的负极，而阴极连接到正极。

如果普通二极管以与齐纳二极管相同的方式使用，则由于过大的电流而会被损坏。此特性使得齐纳二极管的重要性降低。

下图显示了一个带有齐纳二极管的稳压器。

齐纳二极管反向偏置连接在不稳定的直流电源上。它被重掺杂，以便降低反向击穿电压。这导致非常薄的耗尽层。因此，齐纳二极管具有尖锐的反向击穿电压 V_z。

根据电路的工作原理，击穿会随着电流的突然增加而急剧发生，如下图所示。

电压 V_z 随着电流的增加而保持恒定。由于此特性，齐纳二极管广泛用于电压调节。它提供几乎恒定的输出电压，而不管通过齐纳二极管的电流如何变化。因此，负载电压保持恒定值。

我们可以看到，在称为膝盖电压的特定反向电压下，电流随着恒定电压急剧增加。由于此特性，齐纳二极管广泛用于电压稳定。

半导体器件 - 光电二极管

光电二极管是一种 PN 结二极管，当暴露在光线下时会导通电流。该二极管实际上设计为在反向偏置模式下工作。这意味着入射光强度越大，反向偏置电流就越大。

下图显示了光电二极管的示意图符号和结构细节。

光电二极管的工作原理

它是一个反向偏置二极管。随着入射光强度的增加，反向电流也会增加。这意味着反向电流与入射光强度成正比。

它由安装在 P 型衬底上的 PN 结组成，并封装在金属外壳中。结点由透明透镜制成，它是光线应该照射的窗口。

众所周知，当 PN 结二极管反向偏置时，会流过非常小的反向电流。反向电流是由二极管耗尽区中的电子-空穴对热产生的。

当光线照射到 PN 结上时，它会被结点吸收。这将产生更多的电子-空穴对。或者我们可以说，反向电流的量会增加。

换句话说，随着入射光强度的增加，PN 结二极管的电阻减小。

此动作使二极管更具导电性。
这些二极管具有非常快的响应时间。
它们用于高性能计算设备中。
它也用于报警电路、计数器电路等。

半导体器件 - 光伏电池

基本的光伏电池由形成 pn 结的 n 型和 p 型半导体组成。上部区域扩展且透明，通常暴露在阳光下。这些二极管或电池非常特殊，当暴露在光线下时会产生电压。这些电池将光能直接转换为电能。

下图显示了光伏电池的符号。

光伏电池的工作原理

光伏电池的结构与 PN 结二极管相似。当没有光线照射时，不会有电流流过器件。在这种状态下，电池将无法产生电流。

必须正确偏置电池，这需要相当数量的光线。一旦光线照射，就可以观察到 PN 结二极管的显著状态。结果，电子获得足够的能量并从母原子中脱离。耗尽区中这些新生成的电子-空穴对穿过结点。

在此动作中，电子由于其正常的正离子浓度而移动到 N 型材料中。同样，空穴由于其负离子含量而扫入 P 型材料中。这导致 N 型材料立即带负电，而 P 型材料带正电。然后 PN 结作为响应提供一个小的电压。

光伏电池的特性

左边的下图显示了一种特性，即光电二极管的反向电流 (I_R) 和照度 (E) 之间的曲线图。IR 在垂直轴上测量，照度在水平轴上测量。该图是通过零点的一条直线。

即，I_R = mE

m = 图的直线斜率

参数m是二极管的灵敏度。

右边的图显示了光电二极管的另一个特性，即光电二极管的反向电流 (I_R) 和反向电压之间的曲线图。从图中可以清楚地看出，对于给定的反向电压，随着 PN 结上照度的增加，反向电流也会增加。

这些电池通常在光线照射时向负载设备供电。如果需要更大的电压，则使用这些电池的阵列来提供相同的电压。因此，光伏电池用于光能水平较高的应用场合。

半导体器件 - 变容二极管

这是一种特殊的PN结二极管，其PN材料中的杂质浓度不均匀。在普通的PN结二极管中，掺杂杂质通常均匀地分散在整个材料中。而可变电容二极管在结附近掺杂极少量的杂质，并且杂质浓度随着远离结而增加。

在传统的结型二极管中，耗尽区是分隔P型和N型材料的区域。耗尽区在结最初形成时就形成了。该区域没有载流子，因此耗尽区充当介电介质或绝缘体。

以空穴为多数载流子的P型材料和以电子为多数载流子的N型材料现在充当带电极板。因此，二极管可以被认为是一个电容器，具有N型和P型相反带电极板，而耗尽区充当电介质。众所周知，P型和N型材料作为半导体，被耗尽区绝缘体隔开。

设计用于响应反向偏置下电容效应的二极管称为可变电容二极管（Varactor）、变容二极管（Varicap）或电压可变电容器。

下图显示了可变电容二极管的符号。

可变电容二极管通常在反向偏置条件下工作。当反向偏置电压增加时，耗尽区的宽度也增加，导致电容减小。这意味着当反向偏置电压减小时，电容会相应增加。因此，二极管电容与偏置电压成反比。通常情况下，这不是线性的关系。它的工作电压范围在零到反向击穿电压之间。

可变电容二极管的电容表示为：

$$C_T = E\frac{A}{W_d}$$

C_T = 结的总电容
E = 半导体材料的介电常数
A = 结的横截面积
W_d = 耗尽层的宽度

这些二极管广泛用于微波应用。可变电容二极管也用于需要一定程度的电压调谐或频率控制的谐振电路中。这种二极管也用于调频收音机和电视机接收机的自动频率控制 (AFC) 中。

半导体器件 - 双极晶体管

双极晶体管主要由两层相反类型的半导体材料背靠背连接而成。添加到硅或锗中的杂质类型决定了其形成时的极性。

NPN晶体管

NPN晶体管由两块N型材料组成，中间隔着一层薄的P型半导体材料。上图显示了NPN晶体管的晶体结构和电路符号。

从每种类型的材料中引出三个引线，分别称为发射极、基极和集电极。在符号中，当发射极的箭头指向基极外部时，表示该器件为NPN型。

PNP晶体管

PNP晶体管由两块P型材料组成，中间隔着一层薄的N型半导体材料。下图显示了PNP晶体管的晶体结构和电路符号。

在符号中，当发射极的箭头指向基极内部时，表示该器件为PNP型。

晶体管的结构

以下是晶体管制造中使用的一些制造技术：

扩散型

在这种方法中，半导体晶圆经受N型和P型杂质的气相扩散，以形成发射极和集电极结。首先，确定基极-集电极结，并在基极扩散之前进行光刻蚀。之后，在基极上扩散发射极。通过这种技术制造的晶体管具有更好的噪声系数，并且还提高了电流增益。

生长型

它是通过从熔融的硅或锗中拉出单晶形成的。在晶体拉制过程中添加所需的杂质浓度。

外延型

在相同类型的高掺杂衬底上生长一层非常纯净且薄的硅或锗单晶层。这种改进型的晶体形成集电极，发射极和基极结在其上形成。

合金型

在这种方法中，基极部分由薄片N型材料制成。在薄片的相对两侧，连接两个小的铟点，并将完整的结构保持在高温下较短时间。温度应高于铟的熔点，低于锗的熔点。此技术也称为熔合结构。

电化学蚀刻型

在这种方法中，在半导体晶圆的相对两侧蚀刻凹陷以减小基区宽度。然后将合适的金属电镀到凹陷区域以形成发射极和集电极结。

半导体器件 - 晶体管偏置

晶体管具有三个部分：发射极、基极和集电极。

基极比发射极薄得多，而集电极则比两者都宽。
发射极掺杂浓度很高，以便可以注入大量的载流子进行电流传导。
基极将大部分载流子传递给集电极，因为它与发射极相比掺杂浓度较低，而集电极则更低。

为了使晶体管正常工作，发射极-基极区域必须正向偏置，而集电极-基极区域必须反向偏置。

在半导体电路中，电源电压称为偏置电压。为了工作，双极晶体管必须具有两个结的偏置。这种情况会导致电流流过电路。器件的耗尽区减小，多数载流子被注入结。当晶体管工作时，它的一个结必须正向偏置，另一个必须反向偏置。

NPN晶体管的工作原理

如上图所示，发射极到基极结正向偏置，集电极到基极结反向偏置。发射极到基极结的正向偏置导致电子从N型发射极流向偏置。这种情况形成发射极电流 (I_E)。

在穿过P型材料时，电子倾向于与空穴结合，通常很少，构成基极电流 (I_B)。其余的电子穿过薄耗尽区到达集电极区域。此电流构成集电极电流 (I_C)。

换句话说，发射极电流实际上流过集电极电路。因此，可以认为发射极电流是基极电流和集电极电流的总和。它可以表示为：

I_E = I_B + I_C

PNP晶体管的工作原理

如以下图所示，发射极到基极结正向偏置，集电极到基极结反向偏置。发射极到基极结的正向偏置导致空穴从P型发射极流向偏置。这种情况形成发射极电流 (I_E)。

在穿过N型材料时，电子倾向于与电子结合，通常很少，构成基极电流 (I_B)。其余的空穴穿过薄耗尽区到达集电极区域。此电流构成集电极电流 (I_C)。

换句话说，发射极电流实际上流过集电极电路。因此，可以认为发射极电流是基极电流和集电极电流的总和。它可以表示为：

I_E = I_B + I_C

晶体管的配置

当晶体管连接到电路中时，需要四个端子或引线或引脚，输入和输出各两个。众所周知，晶体管只有3个端子，这种情况可以通过使一个端子对输入和输出部分都共用来克服。因此，晶体管可以按照以下三种配置连接：

共基极配置
共发射极配置
共集电极配置

以下是一些关于晶体管工作的要点。

晶体管可以在三个区域工作：放大区、饱和区和截止区。
当晶体管在放大区使用时，基极-发射极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。
当晶体管在饱和区使用时，基极-发射极结正向偏置，集电极-基极结也正向偏置。
当晶体管在截止区使用时，基极-发射极结和集电极-基极结都反向偏置。

晶体管配置比较

下表显示了晶体管配置的比较。

特性	共发射极	共基极	共集电极
电流增益	高	无	相当大
应用	音频频率	高频	阻抗匹配
输入电阻	低	低	非常高
输出电阻	高	非常高	低
电压增益	约 500	约 150	小于 1

晶体管的优点和缺点

下表列出了晶体管的优点和缺点。

优点	缺点
低电源电压	温度依赖性
高电压增益	低功耗
尺寸小	低输入阻抗

电流放大系数 (α)

在恒定集电极-基极电压V_cb下，集电极电流变化量与发射极电流变化量的比率称为电流放大系数‘α’。它可以表示为

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$ 在恒定V_CB下

很明显，电流放大系数小于1，并且它与基极电流成反比，考虑到基极掺杂浓度低且薄。

基极电流放大系数 (β)

它是集电极电流变化量与基极电流变化量的比率。基极电流的小变化会导致集电极电流发生非常大的变化。因此，晶体管能够获得电流增益。它可以表示为

$$ \beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} $$

晶体管作为放大器

下图显示负载电阻 (R_L) 与集电极电源电压 (V_cc) 串联。发射极和基极之间的微小电压变化ΔV_i会导致相对较大的发射极电流变化ΔI_E。

我们用符号“a”表示此电流变化的一部分——被收集并通过R_L的部分。负载电阻上的输出电压变化ΔV_o = a'RL ΔI_E可能是输入电压变化ΔV_I的许多倍。在这种情况下，电压放大倍数A == V_O/ΔV_I将大于1，晶体管充当放大器。

场效应晶体管

场效应晶体管 (FET) 是一种三端半导体器件。它的工作基于受控的输入电压。从外观上看，JFET 和双极晶体管非常相似。但是，BJT 是电流控制的器件，而 JFET 是由输入电压控制的。最常见的两种 FET 是：

结型场效应晶体管 (JFET)
金属氧化物半导体场效应晶体管 (IGFET)

结型场效应晶体管

结型场效应晶体管（JFET）的工作原理仅依赖于多数载流子（电子或空穴）的流动。基本上，JFET由包含侧边PN结的N型或P型硅棒组成。以下是一些关于FET的重要要点：

栅极 − 使用扩散或合金化技术，对N型棒的两侧进行重掺杂以形成PN结。这些掺杂区域称为栅极 (G)。
源极 − 它是多数载流子的入口点，载流子通过它进入半导体棒。
漏极 − 它是多数载流子的出口点，载流子通过它离开半导体棒。
沟道 − 它是N型材料的区域，多数载流子通过它从源极流向漏极。

在半导体器件领域中，常用的JFET主要有两种：N沟道JFET和P沟道JFET。

N沟道JFET

它在P型衬底上形成一层薄的N型材料。下图显示了N沟道JFET的晶体结构和示意图。然后在N沟道顶部用P型材料形成栅极。在沟道的末端和栅极上连接引线，衬底没有连接。

当将直流电压源连接到JFET的源极和漏极引线时，最大电流将流过沟道。相同数量的电流将从源极和漏极端子流出。沟道电流的大小将由V_DD的值和沟道的内阻决定。

JFET的典型源漏电阻值是几百欧姆。很明显，即使栅极开路，沟道中也会发生全电流传导。本质上，施加在ID上的偏置电压量控制着通过JFET沟道的载流子的流动。通过微小的栅极电压变化，可以控制JFET在全导通和截止状态之间的任何位置。

P沟道JFET

它在N型衬底上形成一层薄的P型材料。下图显示了N沟道JFET（此处应为P沟道JFET）的晶体结构和示意图。在P沟道顶部用N型材料形成栅极。在沟道的末端和栅极上连接引线。其余的结构细节与N沟道JFET相似。

通常，为了正常工作，栅极端子相对于源极端子为正。P-N结耗尽层的尺寸取决于反向偏置栅极电压值的波动。通过微小的栅极电压变化，可以控制JFET在全导通和截止状态之间的任何位置。

JFET的输出特性

JFET的输出特性是在恒定的栅源电压(V_GS)下，漏极电流(I_D)和漏源电压(V_DS)之间绘制的曲线图，如下图所示。

最初，漏极电流(I_D)随着漏源电压(V_DS)的增加而迅速上升，但在一个称为夹断电压(V_P)的电压下突然变得恒定。高于夹断电压时，沟道宽度变得非常窄，只允许非常小的漏极电流通过。因此，漏极电流(I_D)在夹断电压以上保持恒定。

JFET的参数

JFET的主要参数有：

交流漏极电阻 (Rd)
跨导
放大倍数

交流漏极电阻 (R_d) − 它是恒定栅源电压下，漏源电压变化量(ΔV_DS)与漏极电流变化量(ΔI_D)之比。其表达式为：

R_d = (ΔV_DS)/(ΔI_D) (V_GS恒定)

跨导 (g_fs) − 它是恒定漏源电压下，漏极电流变化量(ΔI_D)与栅源电压变化量(ΔV_GS)之比。其表达式为：

g_fs = (ΔI_D)/(ΔV_GS) (V_DS恒定)

放大倍数 (u) − 它是恒定漏极电流(ΔI_D)下，漏源电压变化量(ΔV_DS)与栅源电压变化量(ΔV_GS)之比。其表达式为：

u = (ΔV_DS)/(ΔV_GS) (I_D恒定)

半导体器件 - JFET 偏置

JFET 的偏置方法有两种：自偏置法和分压法。本章将详细讨论这两种方法。

自偏置法

下图显示了N沟道JFET的自偏置方法。漏极电流流过R_s并产生所需的偏置电压。因此，R_s是偏置电阻。

因此，偏置电阻上的电压为：

$$V_s = I_{DRS}$$

众所周知，栅极电流极小，栅极端子接地，V_G = 0，

$$V_{GS} = V_G - V_s = 0 - I_{DRS}$$

或者 $V_{GS} = -I_{DRS}$

V_GS使栅极相对于源极保持负电位。

分压法

下图显示了JFET的分压偏置方法。这里，电阻R₁和R₂在漏极电源电压(V_DD)上形成分压电路，它与晶体管偏置中使用的电路大致相同。

R₂上的电压提供必要的偏置：

$$V_2 = V_G = \frac{V_{DD}}{R_1 + R_2} \times R_2$$

$V_{DD} = V_2 + V_{GS} + I_D R_S$

或者 $V_{GS} = V_2 - I_{D}R_S$

电路设计使得V_GS始终为负。可以使用以下公式找到工作点：

$$I_D = \frac{V_2 - V_{GS}}{R_S}$$

以及 $V_{DS} = V_{DD} - I_D(R_D + R_S)$

半导体器件 - MOSFET

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）也称为MOSFET，具有更大的重要性，是FET家族的新成员。

它具有一个轻掺杂的P型衬底，其中扩散有两个高度掺杂的N型区。该器件的一个独特之处在于其栅极结构。在这里，栅极与沟道完全绝缘。当向栅极施加电压时，它将产生静电荷。

此时，不允许电流流入器件的栅极区域。此外，栅极是器件的一个区域，该区域涂有金属。通常，二氧化硅用作栅极和沟道之间的绝缘材料。由于这个原因，它也被称为绝缘栅FET。广泛使用的MOSFET有两种：i) 耗尽型MOSFET ii) 增强型MOSFET。

耗尽型MOSFET (D-MOSFET)

下图显示了N沟道D-MOSFET及其符号。栅极与栅极作为一极板，另一极板为沟道，SiO₂层作为电介质，形成电容。当栅极电压变化时，电容的电场发生变化，这反过来又改变了N沟道的电阻。

在这种情况下，我们可以对栅极施加正电压或负电压。当MOSFET以负栅极电压工作时，称为耗尽模式；当以正栅极电压工作时，称为MOSFET的增强模式。

耗尽模式

下图显示了在耗尽模式下工作的N沟道D-MOSFET。

其工作原理如下：

由于栅极呈负电位，因此大部分电子都位于栅极上，它排斥N沟道的电子。
此动作在沟道的一部分留下正离子。换句话说，N沟道中的一些自由电子被耗尽了。结果，可用于通过N沟道导电的电子数量减少了。
栅极上的负电压越大，从源极到漏极的电流越小。因此，我们可以通过改变栅极上的负电压来改变N沟道的电阻和从源极到漏极的电流。

增强模式

下图显示了在增强模式下工作的N沟道D-MOSFET。这里，栅极充当电容。但是，在这种情况下，栅极是正的。它激发了N沟道中的电子，并且N沟道中的电子数量增加了。

正栅极电压增强或增加了沟道的导电性。栅极上的正电压越大，从源极到漏极的导电性就越大。

因此，我们可以通过改变栅极上的正电压来改变N沟道的电阻和从源极到漏极的电流。

D-MOSFET的转移特性

下图显示了D-MOSFET的转移特性。

当V_GS为负时，I_D下降到I_DSS的值以下，直到达到零，V_GS = V_GS (off)（耗尽模式）。当V_GS为零时，I_D = I_DSS，因为栅极和源极端子短路。当V_GS为正时，I_D增加到I_DSS以上，并且MOSFET处于增强模式。

运算放大器

运算放大器 (op-amp) 是一种非常高增益的差分放大器，具有高输入阻抗和低输出阻抗。运算放大器通常用于提供电压幅度变化、振荡器、滤波器电路等。运算放大器可能包含多个差分放大器级以实现非常高的电压增益。

这是一种使用输出和输入之间直接耦合的高增益差分放大器。它适用于直流和交流操作。除了各种数学运算外，运算放大器还执行许多电子功能，例如仪表设备、信号发生器、有源滤波器等。这种多功能器件还用于许多非线性应用，例如电压比较器、模数转换器和数模转换器、对数放大器、非线性函数发生器等。

基本差分放大器

下图显示了一个基本的差分放大器：

在上图中：

V_DI = 差分输入
V_DI = V₁ – V₂
V_DO = 差分输出
V_DO = V_C1 - V_C2

该放大器放大两个输入信号V₁和V₂之间的差值。

差分电压增益为：

$$A_d = \frac{V_{DO}}{V_{DI}}$$

以及

$$A_d = \frac{(V_{C1} - V_{C2})}{V_{DI}}$$

如下图所示，基本的运算放大器由三个级组成：

输入级

这是第一级，具有以下特性：

高共模抑制比 (CMRR)
高输入阻抗
宽带宽
低(直流)输入失调

运放性能的一些重要特性如下。此级由差分放大级和一个晶体管组成，该晶体管被偏置为恒流源。恒流源极大地提高了差分放大器的共模抑制比。

差分放大器的两个输入如下：

V₁ = 同相输入
V₂ = 反相输入

中间级

这是第二级，旨在获得更好的电压和电流增益。需要电流增益来为输出级提供足够的电流，运放的大部分功率都由输出级产生。该级由一个或多个差分放大器、一个射极跟随器和一个直流电平转换级组成。电平转换电路使放大器能够具有两个差分输入和一个单输出。

V_out = +ve	当 V₁ > V₂ 时
V_out = -ve	当 V₂ < V₁ 时
V_out = 0	当 V₁ = V₂ 时

输出级

这是运放的最后一级，设计为具有低输出阻抗。这为驱动负载提供了所需的电流。随着负载的变化，输出级将或多或少地汲取电流。因此，前一级必须不受输出负载的影响，这是至关重要的。通过设计该级使其具有高输入阻抗和高电流增益，但低输出阻抗来满足此要求。

运放有两个输入：**同相输入**和**反相输入**。

上图显示了反相型运放。加在反相输入端的信号被放大，但输出信号与输入信号相位差180度。加在同相输入端的信号被放大，输出信号与输入信号同相。

运放可以连接到大量的电路中，以提供各种工作特性。

半导体器件 - 实用运放

反相放大器

下图显示了一个反相放大器。输入信号被放大并反相。这是最广泛使用的恒增益放大器电路。

V_o = -R_f.V_in /R₁

电压增益 A = (-R_f /R₁)

同相放大器

下图显示了一个用作同相放大器或恒增益乘法器的运放电路，它具有更好的频率稳定性。

输入信号被放大，但没有反相。

输出 V_o = [(R₁ + R_f) / R₁] V₁

电压增益 A = (R₁ + R_f) / R₁

反相加法器

下图显示了一个反相加法器。它是运放最常用的电路。该电路显示了一个三输入加法器，它提供了一种代数求和三个电压的方法，每个电压都乘以一个恒定的增益因子。输出电压表示为：

V_o = [(-R₄ / R₁) V₁][(-R₄ / R₂) V₂][(-R₄ / R₃) V₃]

V_o = -R₄(V₁ / R₁ + V₂ / R₂ + V₃ / R₃)

如果，R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R & R_s = R/3

V_o = -(V₁ + V₂ + V₃)

半导体器件 - 积分器

下图显示使用的反馈元件是一个电容，由此产生的连接称为积分器。

虚拟地等效电路表明，可以根据从输入到输出的电流 (I) 推导出输入和输出之间的电压表达式。回想一下，虚拟地意味着我们可以认为 R 和 X_C 连接处的电压为地 (因为 V_i ≈ 0 V)，但是此时没有电流流入地。容抗可以表示为

$$X_C = \frac{1}{jwC} = \frac{1}{sC}$$

其中 **s** = jw，如拉普拉斯表示法。求解 V_o/V_i 方程得到以下方程

$$I = \frac{V_1}{R_1} = \frac{-V_0}{X_c} = \frac{-\frac{V_0}{I}}{sC} = \frac{V_0}{V_1}$$

$$\frac{V_0}{V_1} = \frac{-1}{sCR_1}$$

它可以写成时域形式为

$$V_o(t) = -\frac{1}{RC}\int V_1(t)dt$$

半导体器件 - 微分器

下图显示了一个微分器电路。

微分器提供了一个有用的运算，电路的结果关系为

V_o(t) = RC(dv1(t)/dt

以下是运放的一些重要参数：

开环电压增益 (AVOL)

运放的开环电压增益是在不使用负反馈的条件下其差分增益。AVOL 范围从 74 dB 到 100 dB。

AVOL = [V_o/(V₁ – V₂)]

输出失调电压 (VOO)

运放的输出失调电压是指其差分输入电压为零时的输出电压。

共模抑制比 (CMR)

如果两个输入都处于相同的电位，导致差分输入为零，并且如果输出为零，则称运放具有良好的共模抑制比。

共模增益 (AC)

运放的共模增益是共模输出电压与共模输入电压之比。

差模增益 (AD)

运放的差模增益是输出与差分输入之比。

Ad = [V_o / (V₁) - V₂]

共模抑制比 (CMRR)

运放的 CMRR 定义为闭环差模增益与共模增益之比。

CMRR = Ad/AC

压摆率 (SR)

压摆率是由阶跃输入电压引起的输出电压变化率。理想的压摆率是无限大的，这意味着运放输出应该对输入阶跃电压瞬时变化。

我们已经讨论了运放的一些应用，例如微分器、积分器、加法器等。运放的其他一些常见应用包括：

对数放大器
模拟器 (电感模拟器)
直流和交流电压跟随器
模数转换器
数模转换器
过压保护电源
极性指示器
电压跟随器
有源滤波器

半导体器件 - 振荡器

振荡器是一种产生正弦振荡的电子电路，称为**正弦振荡器**。它将来自直流电源的输入能量转换为特定频率和已知幅度的周期性波形的交流输出能量。振荡器的特征在于它保持其交流输出。

下图显示了一个即使在没有外部施加输入信号的情况下也具有反馈信号的放大器。正弦振荡器本质上是一种反馈放大器，其中对电压增益**A_v**和反馈网络**β**提出了特殊要求。

考虑上图中的反馈放大器，其中反馈电压 V_f = βV_O 提供整个输入电压

$V_i = V_f = \beta V_0 = A_V\beta V_i$ (1)

$V_i = A_V\beta V_i$ 或 $(1 - A_V\beta)V_i = 0$ (2)

如果要产生输出电压，则输入电压不能为零。因此，为了使 V_i 存在，方程 (2) 要求

$(1 - A_V\beta) = 0$ 或 $A_V\beta = 1$ (3)

方程 (3) 称为**“巴克豪森准则”**，它说明了振荡的两个基本要求：

放大器和反馈环路周围的电压增益（称为环路增益）必须为单位，或 $A_V\beta = 1$。
V_i 和 V_f 之间的相移（称为环路相移）必须为零。

如果满足这两个条件，则上图中的反馈放大器将持续产生正弦输出波形。

现在让我们详细讨论一些典型的振荡器电路。

移相振荡器

遵循反馈电路基本原理的振荡器电路是移相振荡器。下图显示了一个移相振荡器。振荡的要求是环路增益 (βA) 应大于单位，并且输入和输出之间的相移应为 360^o。

反馈是从 RC 网络的输出返回到放大器输入。运放放大器级提供初始 180 度相移，RC 网络引入额外的相移。在特定频率下，网络引入的相移恰好为 180 度，因此环路将为 360 度，反馈电压与输入电压同相。

反馈网络中的 RC 级数最少为三个，因为每个部分提供 60 度的相移。RC 振荡器非常适合音频频率范围，从几个周期到大约 100 KHz。在较高频率下，网络阻抗变得非常低，以至于它可能会严重加载放大器，从而将其电压增益降低到所需最小值以下，并且振荡将停止。

在低频下，加载效应通常不是问题，并且所需的较大电阻和电容值很容易获得。使用基本网络分析，振荡频率可以表示为

$$f = \frac{1}{2\pi RC \sqrt{6}}$$

维恩电桥振荡器

一个实用的振荡器电路使用运放和 RC 电桥电路，振荡频率由**R**和**C**元件设置。下图显示了维恩电桥振荡器电路的基本版本。

注意基本电桥连接。电阻器 R₁ 和 R₂ 以及电容器 C₁ 和 C₂ 构成频率调整元件，而电阻器 R₃ 和 R₄ 构成反馈路径的一部分。

在此应用中，电桥的输入电压 (V_i) 是放大器的输出电压，电桥的输出电压 (V_o) 反馈到放大器输入。忽略运放输入和输出阻抗的加载效应，电桥电路的分析结果为

$$\frac{R_3}{R_4} = \frac{R_1}{R_2} + \frac{C_2}{C_1}$$

以及

$$f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{R_1C_1R_2C_2}}$$

如果 R₁ = R₂ = R 且 C₁ = C₂ = C，则产生的振荡频率为

$$f_o = \frac{1}{2\pi RC}$$

哈特利振荡器

下图显示了哈特利振荡器。它是最常见的射频电路之一。它通常用作通信广播接收器中的本地振荡器。共射连接中的双极结型晶体管是电压放大器，并由由 R₁、R₂、R_E 组成的通用偏置电路偏置。射极旁路电容 (C_E) 增加了这个单晶体管级的电压增益。

集电极电路中的射频扼流圈 (RFC) 在射频频率下充当开路，并防止射频能量进入电源。谐振电路由 L₁、L₂ 和 C 组成。振荡频率由 L₁、L₂ 和 C 的值决定，并由 LC 谐振电路的谐振频率决定。此谐振频率表示为

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_TC}}$$

输出信号可以通过电容耦合从集电极获取，前提是负载足够大且振荡频率不受影响。

压电性

许多天然晶体物质都表现出压电特性，其中最重要的有石英、罗谢尔盐和电气石。当在这些材料上施加正弦电压时，它们会以施加电压的频率振动。

另一方面，当这些材料受到压缩并处于机械应力而振动时，它们会产生等效的正弦电压。因此，这些材料被称为压电晶体。石英是最常用的压电晶体。

晶体振荡器

晶体振荡器的电路图如下所示。

此处的晶体充当调谐电路。晶体的等效电路如下所示。

晶体振荡器具有两个谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率。

串联谐振频率

$$f_s = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$$

并联谐振频率

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC_T}}$$

由于C/Cm非常小，这两个谐振频率几乎相同。在上图中，晶体以并联谐振模式连接。

电阻器R₁、R₂、R_E和晶体管一起构成一个放大器电路。电阻器R₁和R₂提供电压稳定的直流偏置。电容(C_E)提供发射极电阻(R_E)的交流旁路，而RFC则对振荡器产生的频率提供高阻抗，以免它们进入电源线。

晶体与电容C₁和C₂并联，当其阻抗最大时，允许从集电极到发射极的最大电压反馈。在其他频率下，晶体阻抗较低，因此产生的反馈太小而无法维持振荡。振荡器频率稳定在晶体的并联谐振频率。

反馈与补偿

偏置网络的基本目的是在电路的工作点（工作点也称为静态工作点、Q点、无信号点、空闲点或静态点）建立集电极-基极-发射极电压和电流关系。由于晶体管很少在此Q点工作，因此基本偏置网络通常用作设计参考点或起点。

实际电路配置，特别是偏置网络值，是根据动态电路条件（所需的输出电压摆幅、预期的输入信号电平等）选择的。一旦建立了所需的工作点，偏置网络的下一个功能就是将放大器电路稳定在这个点上。基本偏置网络必须在温度和电源变化以及可能的晶体管更换的情况下保持所需的电流关系。

在某些情况下，频率变化和组件再次引起的变也必须由偏置网络抵消。此过程通常称为偏置稳定。适当的偏置稳定将使放大器电路保持在所需的工作点（在实际限制内），并将防止热失控。

稳定性系数“S”

它定义为集电极电流相对于反向饱和电流的变化率，保持β和V_BE恒定。它表示为

$$S = \frac{\mathrm{d}I_c }{\mathrm{d} I_c}$$

偏置稳定方法

使工作点与温度变化或晶体管参数变化无关的方法称为**稳定**。有几种方案可以提供固态放大器的偏置稳定。所有这些方案都采用某种形式的负反馈。也就是说，晶体管电流中的任何阶段都会产生相应的电压或电流变化，这些变化倾向于抵消初始变化。

有两种产生负反馈的基本方法：反向电压反馈和反向电流反馈。

反向电压反馈

下图显示了基本的反向电压偏置网络。发射极-基极结由R₁和R₂连接处的电压正向偏置。基极-集电极结由集电极和基极电压之间的差值反向偏置。

通常，电阻耦合放大器的集电极电压约为电源电压的一半。连接在集电极和基极之间的电阻器（R₃）。由于集电极电压为正，因此一部分电压反馈到基极以支持正向偏置。

发射极-基极结上的正常（或Q点）正向偏置是发射极和基极之间所有电压的结果。随着集电极电流的增加，R_L上的电压降会增大。结果，集电极上的电压下降，减少通过R₃反馈到基极的电压。这会降低发射极-基极正向偏置，降低发射极电流并降低集电极电流至其正常值。由于集电极电流最初下降，因此会发生相反的动作，并且集电极电流升高到其正常（Q点）值。

放大器中任何形式的负反馈都倾向于反对所有变化，即使是由被放大的信号产生的变化也是如此。这种反向或负反馈倾向于降低并稳定增益，以及不需要的变化。这种通过反馈来稳定增益的原理或多或少地用于所有类型的放大器。

反向电流反馈

下图显示了使用NPN晶体管的独特的反向电流（发射极反馈）偏置网络。与电压反馈相比，电流反馈在固态放大器中更常用。这是因为晶体管主要是电流驱动器件，而不是电压驱动器件。

在任何偏置电路中使用发射极反馈电阻可以概括如下：基极电流取决于基极和发射极之间电压的差值。如果差分电压降低，则流动的基极电流就会减少。

当差分电压增加时，情况正好相反。所有电流都流过集电极。因此，跨发射极电阻的电压降并非完全独立。随着集电极电流的增加，发射极电流和跨发射极电阻的电压降也将增加。这种负反馈倾向于减小基极和发射极之间的差值，从而降低基极电流。反过来，较低的基极电流倾向于减小集电极电流，并抵消初始的集电极电流增加。

偏置补偿

在固态放大器中，当在特定应用中信号增益的损失无法容忍时，通常使用补偿技术来减少工作点的漂移。为了提供最大的偏置和热稳定性，可以同时采用补偿和稳定方法。

下图显示了利用二极管补偿和自偏置稳定的二极管补偿技术。如果二极管和晶体管是相同类型的，则它们在整个电路中具有相同的温度系数。这里，二极管是正向偏置的。给定电路的KVL可以表示为：

$$I_c = \frac{\beta [V - (V_{BE} - V_o)] + (Rb + Rc)(\beta + 1)ICO}{Rb + Rc(1 + \beta)}$$

从上式可以清楚地看出，V_BE关于温度跟随VO，Ic对V_BE的变化没有影响。这是一种有效的方法，可以解决由于V_BE变化而引起的晶体管工作点的变化。

温度补偿器件

我们还可以使用一些温度敏感器件来补偿晶体管内部特性的变化。热敏电阻具有负温度系数，这意味着随着温度的升高，其电阻呈指数下降。下图显示了一个使用热敏电阻 (R_T) 来减少由于V_BE、ICO或β随温度变化而导致的集电极电流增加的电路。

当温度升高时，R_T下降，流经R_T进入R_E的电流增加。跨R_E的作用电压降与反向偏置晶体管的方向相反。R_T的作用是倾向于补偿IC的增加，而IC由于温度升高而增加。

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