半導體器件速查指南

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半導體器件 - 引言

人們普遍認為，原子核到特定原子電子的距離並不相等。通常，電子在明確定義的軌道上旋轉。外殼或軌道只能容納一定數量的電子。原子的導電性主要受外層電子的影響。這些電子與導電性關係密切。

導體和絕緣體

導電是電子不規則或不受控制運動的結果。這些運動導致某些原子成為良好的導體。具有這種型別原子的材料在外殼或軌道中具有許多自由電子。

相比之下，絕緣材料的自由電子相對較少。因此，絕緣體的外層電子往往牢牢地保持在其位置，幾乎不允許任何電流流過它。因此，在絕緣材料中，幾乎不會發生導電。

半導體

在導體和絕緣體之間，還有第三類原子（材料），稱為半導體。通常，半導體的電導率介於金屬和絕緣體的電導率之間。然而，在絕對零度下，半導體也表現得像完美的絕緣體。

矽和鍺是最常見的半導體元素。氧化銅、硫化鎘和砷化鎵是一些其他常用半導體化合物。這類材料通常歸類為IVB族元素。這類原子有四個價電子。如果它們可以放棄四個價電子，就可以實現穩定性。也可以透過接受四個電子來實現。

原子的穩定性

原子的穩定性概念是半導體材料狀態的重要因素。價帶中的電子最大數量為8。當價帶中恰好有8個電子時，可以說該原子是穩定的。在穩定的原子中，價電子的結合非常牢固。這些型別的原子是優良的絕緣體。在這些原子中，沒有自由電子用於導電。

穩定的元素例子包括氬、氙、氖和氪等氣體。由於它們的特性，這些氣體不能與其他物質混合，通常被稱為惰性氣體。

如果外殼中的價電子數少於8，則稱該原子不穩定，即價電子少於8個的原子不穩定。它們總是試圖從相鄰原子借用或捐贈電子以變得穩定。外殼中具有5、6或7個價電子的原子傾向於從其他原子借用電子以尋求穩定，而具有1、2或3個價電子的原子傾向於將其電子釋放給其他附近的原子。

原子結合

任何有重量的東西都是物質。根據原子理論，所有物質，無論是固體、液體還是氣體，都是由原子組成的。原子包含一個稱為原子核的中心部分，其中包含中子和質子。通常，質子是帶正電的粒子，而中子是中性粒子。帶負電的電子以類似於行星圍繞太陽排列的方式排列在原子核周圍的軌道上。下圖顯示了原子的組成。

發現不同元素的原子具有不同數量的質子、中子和電子。為了區分一個原子與另一個原子或對各種原子進行分類，為每個已識別元素的原子分配一個數字，該數字表示給定原子核中質子的數量。這個數字被稱為該元素的原子序數。與半導體研究相關的某些元素的原子序數如下表所示。

通常，原子具有相同數量的質子和行星電子，以保持其淨電荷為零。原子經常透過其可用的價電子結合形成穩定的分子或化合物。

自由價電子的結合過程通常稱為鍵合。以下是原子組合中發生的各種鍵合型別。

• 離子鍵
• 共價鍵
• 金屬鍵

現在讓我們詳細討論這些原子鍵合。

離子鍵

當原子結合在一起形成分子時，每個原子都在尋求穩定。當價帶包含8個電子時，它被稱為穩定狀態。當一個原子的價電子與另一個原子的價電子結合以變得穩定時，這被稱為離子鍵。

• 如果一個原子在外殼中擁有超過4個價電子，它就會尋求額外的電子。這種原子通常被稱為受體。

• 如果任何原子在外殼中擁有少於4個價電子，它們就會試圖移出這些電子。這些原子被稱為施主。

在離子鍵閤中，施主和受體原子經常結合在一起，並且該組合變得穩定。食鹽是離子鍵合的常見例子。

下圖說明了獨立原子和離子鍵合的例子。

在上圖中可以看到，鈉 (Na) 原子將其 1 個價電子捐獻給具有 7 個價電子的氯 (Cl) 原子。當氯原子獲得額外的電子時，它會立即變得負電荷過量，這導致原子變成負離子。另一方面，鈉原子失去其價電子，然後鈉原子變成正離子。正如我們所知，異性電荷相吸，鈉和氯原子透過靜電力結合在一起。

共價鍵

當相鄰原子的價電子與其他原子共享時，就會發生共價鍵合。在共價鍵閤中，不會形成離子。這是共價鍵合和離子鍵合的一個獨特區別。

當一個原子在外殼中包含四個價電子時，它可以與四個相鄰原子共享一個電子。在兩個連線電子之間建立了共價力。這些電子交替地在原子之間移動軌道。這種共價力將各個原子結合在一起。共價鍵合的示意圖如下所示。

在這種排列中，只顯示每個原子的原子核和價電子。由於各個原子結合在一起，因此產生了電子對。在這種情況下，需要五個原子才能完成鍵合作用。鍵合過程向各個方向擴充套件。每個原子現在都透過晶格網路連線在一起，並且透過該晶格網路形成晶體結構。

金屬鍵

第三種鍵合型別通常發生在良好的導體中，稱為金屬鍵合。在金屬鍵閤中，正離子和電子之間存在靜電力。例如，銅的價帶在其外殼中有一個電子。這個電子傾向於在不同原子之間的材料中四處移動。

當這個電子離開一個原子時，它會立即進入另一個原子的軌道。這個過程是重複不斷的。當電子離開原子時，原子變成正離子。這是一個隨機過程。這意味著一個電子總是與一個原子相連。但這並不意味著電子與一個特定的軌道相關聯。它總是在不同的軌道上四處遊蕩。因此，所有原子都可能共享所有價電子。

電子懸浮在一個覆蓋正離子的雲中。這個懸浮的雲將電子隨機地鍵合到離子。下圖顯示了銅的金屬鍵合示例。

固體材料中的導電性

原子外環中電子的數量仍然是導體和絕緣體之間差異的原因。眾所周知，固體材料主要用於電氣裝置以實現電子傳導。這些材料可以分為導體、半導體和絕緣體。

然而，導體、半導體和絕緣體透過能級圖進行區分。這裡將考慮導致電子離開其價帶並進入導帶所需的能量。該圖是材料中所有原子的組合。絕緣體、半導體和導體的能級圖如下所示。

價帶

底部部分是價帶。它代表最靠近原子核的能級，並且價帶中的能級包含平衡原子核正電荷所需的正確數量的電子。因此，該帶稱為滿帶。

在價帶中，電子緊密地結合到原子核上。向上移動到能級，電子在每個連續的能級中更鬆散地結合到原子核上。擾動更靠近原子核的能級中的電子並不容易，因為它們的移動需要更大的能量，並且每個電子軌道都具有獨特的能級。

導帶

圖中的頂部或最外層帶稱為導帶。如果電子的能級位於該帶內，並且相對自由地在晶體中移動，則它會導電。

在半導體電子學中，我們主要關注價帶和導帶。以下是關於它的某些基本資訊：

• 每個原子的價帶顯示外殼中價電子的能級。

• 必須向價電子新增一定量的能量才能使其進入導帶。

禁帶

價帶和導帶由一個間隙（如果存在）隔開，稱為禁帶。要越過禁帶，需要一定的能量。如果能量不足，電子就不會釋放出來進行傳導。電子將保留在價帶中，直到它們接收到額外的能量以越過禁帶。

某種材料的導電狀態可以用禁頻寬度來表示。在原子理論中，禁頻寬度用電子伏特 (eV) 表示。一個電子伏特定義為電子在 1 伏特的電位差下獲得或損失的能量。每種元素的原子具有不同的能級值，從而允許導電。

請注意，**禁帶區**在絕緣體中相對較寬。使絕緣體導電需要非常大的能量。例如，電湧保護器（Thyrite）。

如果絕緣體在高溫下工作，則增加的熱能會導致價帶電子移動到導帶。

從能帶圖可以清楚地看出，半導體的禁帶遠小於絕緣體的禁帶。例如，矽需要獲得 0.7 eV 的能量才能進入導帶。在室溫下，新增熱能可能足以導致半導體導電。這種特性在固態電子器件中非常重要。

對於導體，導帶和價帶部分重疊。從某種意義上說，不存在禁帶。因此，價帶電子能夠釋放成為自由電子。通常在正常室溫下，導體內部幾乎沒有發生電傳導。

電導率和遷移率

如前所述，每個原子可能有一個或多個自由電子，這些電子在施加電場的影響下穿過金屬內部。

下圖顯示了金屬內部的電荷分佈。這被稱為金屬的**電子氣模型**。

**陰影區域**代表具有正電荷的原子核。藍點代表原子外殼中的價電子。基本上，這些電子不屬於任何特定的原子，因此它們失去了自身的特性，並在原子之間自由移動。

當電子處於不間斷運動時，其傳輸方向在每次與重離子碰撞時都會發生變化。這是基於金屬的電子氣理論。碰撞之間的平均距離稱為**平均自由程**。電子以隨機的方式在給定時間內透過金屬中單位面積的反方向運動，使得平均電流為零。

半導體的型別

當電壓施加到半導體器件時，電子電流流向電源的正極，空穴電流流向電源的負極。這種情況僅發生在半導體材料中。

矽和鍺是最常見的半導體材料。通常，半導體的電導率介於金屬和絕緣體的電導率之間。

鍺作為半導體

以下是關於**鍺**的一些重要要點：

• 鍺的最外層軌道上有四個電子。在鍵閤中，原子僅顯示其外層電子。

• 鍺原子將在共價鍵中共用價電子。如下圖所示。鍺是與共價鍵合相關的那些。鍺的晶體形式稱為晶格。這種結構的原子排列方式如下圖所示。

• 在這種排列中，電子處於非常穩定的狀態，因此不太適合與導體相關聯。在純淨形式下，鍺是一種絕緣材料，稱為**本徵半導體**。

下圖顯示了矽和鍺的原子結構。

矽作為半導體

半導體器件也使用矽來製造各種電子元件。矽和鍺的原子結構如上圖所示。矽的晶格結構與鍺的晶格結構相似。

以下是關於矽的一些重要要點：

• 像鍺一樣，它在其最外層殼層中有四個電子。

• 純淨形式下，它對半導體器件無用。

• 可以透過新增雜質來獲得所需的電導率。

• 必須在受控環境下仔細新增雜質。

• 根據新增的雜質型別，它將產生電子過剩或不足。

下圖顯示了矽的本徵晶體。

半導體摻雜

純矽或純鍺很少用作半導體。實際上可用的半導體必須新增受控數量的雜質。新增雜質會改變導電能力，使其充當半導體。向本徵材料或純淨材料中新增雜質的過程稱為**摻雜**，雜質稱為**摻雜劑**。摻雜後，本徵材料變成外來材料。實際上，只有在摻雜後，這些材料才能使用。

當在不改變晶體結構的情況下向矽或鍺中新增雜質時，會產生 N 型材料。在某些原子中，電子在其價帶中有五個電子，例如砷 (As) 和銻 (Sb)。用任何一種雜質摻雜矽都不能改變晶體結構或鍵合過程。雜質原子的額外電子不參與共價鍵合。這些電子鬆散地結合在其起源原子。下圖顯示了透過新增雜質原子來改變矽晶體。

摻雜對 N 型材料的影響

摻雜對 N 型材料的影響如下：

• 在純矽中新增砷後，晶體變成 N 型材料。

• 砷原子具有不參與共價鍵合過程的額外電子或負電荷。

• 這些雜質會釋放或捐贈一個電子到晶體中，因此被稱為施主雜質。

• N 型材料比本徵材料具有額外的或自由電子。

• N 型材料不帶負電。實際上，它的所有原子都是電中性的。

• 這些額外的電子不參與共價鍵合過程。它們可以自由地在晶體結構中移動。

• N 型外延矽晶體只需要施加 0.005 eV 的能量即可導電。

• 本徵晶體的電子只需要 0.7 eV 的能量才能從價帶移動到導帶。

通常，電子被認為是這種晶體中的多數載流子，而空穴是少數載流子。新增到矽中的施主材料的量決定了其結構中多數載流子的數量。

N 型矽中的電子數量比本徵矽的電子-空穴對數量多得多。在室溫下，這種材料的電導率存在顯著差異。有大量的載流子參與電流流動。這種材料中的電流主要由電子傳輸。因此，外延材料成為良好的導體。

摻雜對 P 型材料的影響

摻雜對 P 型材料的影響如下：

• 當在純矽中新增銦 (In) 或鎵 (Ga) 時，會形成 P 型材料。

• 這種型別的摻雜材料具有三個價電子。它們渴望獲得第四個電子。

• 在 P 型材料中，每個空穴都可以被電子填充。為了填充這個空穴區域，來自相鄰共價鍵合基團的電子只需要很少的能量。

• 矽通常摻雜的摻雜材料範圍為 1 到 10⁶。這意味著 P 型材料將擁有比純矽的電子-空穴對多得多的空穴。

• 在室溫下，這種材料的電導率存在非常明顯的特性差異。

下圖顯示了當用受主元素（在本例中為銦）摻雜時，矽的晶體結構是如何改變的。一塊 P 型材料不帶正電。其原子主要都是電中性的。

然而，許多原子基團的共價結構中存在空穴。當電子移動並填充空穴時，空穴就會消失。在電子離開的鍵合基團中會產生一個新的空穴。空穴的運動實際上是電子運動的結果。P 型材料只需要施加 0.05 eV 的能量即可導電。

上圖顯示了當 P 型晶體連線到電壓源時將如何響應。請注意，空穴的數量比電子多得多。施加電壓時，電子會被吸引到電池的正極。

從某種意義上說，空穴向電池的負極移動。此時會拾取一個電子。電子立即填充空穴。然後空穴消失。同時，電子被電池正極從材料中拉出。因此，由於電子在不同的鍵合基團之間移動，空穴向負極移動。施加能量後，空穴流動是連續的。

半導體器件 - 結二極體

由 P 型和 N 型材料製成的晶體結構通常稱為**結二極體**。它通常被認為是雙端器件。如下圖所示，一個端子連線到 P 型材料，另一個端子連線到 N 型材料。

這些材料連線的公共結合點稱為**結**。結二極體允許載流子在一個方向上流動，並阻止電流在反方向流動。

下圖顯示了結二極體的晶體結構。檢視相對於結的 P 型和 N 型材料的位置。晶體結構從一端到另一端是連續的。結僅充當一個分隔點，表示一種材料的結束和另一種材料的開始。這種結構允許電子在整個結構中充分移動。

下圖顯示了兩種半導體物質在形成 P-N 結之前的部分。如指定的那樣，材料的每一部分都具有**多數**和**少數載流子**。

每種材料中顯示的載流子符號數量表示少數或多數功能。眾所周知，電子是 N 型材料中的多數載流子，空穴是少數載流子。在 P 型材料中，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。

半導體器件 - 耗盡區

最初，當形成結二極體時，載流子之間存在獨特的相互作用。在 N 型材料中，電子很容易穿過結填充 P 型材料中的空穴。這種行為通常稱為**擴散**。擴散是由於一種材料中載流子高度積累而在另一種材料中載流子聚集較少的結果。

通常，靠近結區的載流子只參與擴散過程。來自N型材料的電子離開後，會在其位置產生正離子。而進入P型材料填充空穴的電子則會在P型材料中產生負離子。結果，結區兩側都包含大量的正離子和負離子。

這些空穴和電子耗盡的區域通常被稱為耗盡區。這是一個缺乏多數載流子的區域。通常，PN接面形成時就會產生耗盡區。下圖顯示了PN接面二極體的耗盡區。

半導體器件 - 勢壘電位

N型和P型材料在它們連線到公共結之前被認為是電中性的。然而，連線後，擴散會立即發生，因為電子穿過結點填充空穴，導致P型材料中出現負離子，這種作用導致結點附近的區域帶負電。來自N型材料的電子離開後會在N型材料中產生正離子。

所有這些過程反過來導致結的N側帶淨正電。這種特殊的電荷產生傾向於迫使剩餘的電子和空穴遠離結區。這種作用使得其他載流子難以擴散穿過結區。結果，電荷積聚或勢壘電位出現在結區。

如下圖所示，產生的勢壘電位在PN接面上連線了一個小電池。在給定的圖中，觀察這個勢壘電位的極性相對於P型和N型材料。當晶體未連線到外部能源時，就會存在這種電壓或電位。

鍺的勢壘電位大約為0.3V，矽的勢壘電位大約為0.7V。這些值不能直接測量，而是出現在結的空間電荷區。為了產生電流傳導，必須透過外部電壓源克服PN接面的勢壘電位。

半導體器件 - 結偏置

偏置這個術語指的是施加直流電壓以建立某些工作條件。或者當外部能源施加到PN接面上時，稱為偏置電壓或簡稱為偏置。這種方法可以增加或減少結的勢壘電位。結果，勢壘電位的降低導致載流子返回耗盡區。以下兩種偏置條件應用於PN接面。

• 正向偏置 - 新增與勢壘電位極性相同的外部電壓，這會導致耗盡區寬度增加。

• 反向偏置 - 以這樣一種方式偏置PN接面：施加外部電壓的作用阻止載流子進入耗盡區。

正向偏置

下圖顯示了一個施加外部電壓的正向偏置PN接面二極體。您可以看到電池的正極連線到P型材料，電池的負極連線到N型材料。

觀察結果如下：

• 該偏置電壓排斥每種P型和N型材料的多數載流子。結果，大量空穴和電子開始出現在結區。

• 在結的N側，電子移動以中和耗盡區中的正離子。

• 在P型材料側，電子被從負離子中拉出，這導致它們再次變為中性。這意味著正向偏置使耗盡區以及勢壘電位都坍塌。這意味著當PN接面正向偏置時，它將允許持續的電流流動。

下圖顯示了正向偏置二極體的載流子流動。由於連線到二極體的外部電壓源，可以提供穩定的電子供應。電流的流動和方向由圖中二極體外部的大箭頭表示。注意，電子流和電流流指的是同一件事。

觀察結果如下：

• 假設電子透過導線從電池負極流向N型材料。進入這種材料後，它們立即流向結區。

• 類似地，在另一側，相同數量的電子從P側被拉出並返回到電池正極。此動作會產生新的空穴並導致它們向結區移動。

• 當這些空穴和電子到達結區時，它們結合在一起並有效地消失。結果，新的空穴和電子出現在二極體的外端。這些多數載流子是持續產生的。只要施加外部電壓源，此動作就會持續。

• 當二極體正向偏置時，可以注意到電子流過二極體的整個結構。這在N型材料中很常見，而在P型材料中，空穴是移動的載流子。注意，一個方向上的空穴運動必須由相反方向的電子運動開始。因此，總電流流是透過二極體的空穴和電子流的總和。

反向偏置

下圖顯示了施加外部電壓的反向偏置PN接面二極體。您可以看到電池的正極連線到N型材料，電池的負極連線到P型材料。請注意，在這種佈置中，電池極性與二極體的材料極性相反，因此異性電荷相吸。因此，每種材料的多數載流子都被從結區拉開。反向偏置使二極體不導電。

下圖顯示了反向偏置二極體中多數載流子的排列。

觀察結果如下：

• 由於電路作用，N型材料的電子被拉向電池正極。

• 每個移動或離開二極體的電子都會在其位置產生一個正離子。結果，這導致結的N側耗盡區寬度等效增加。

• 二極體的P側具有與N側類似的效果。在此操作中，許多電子離開電池負極並進入P型材料。

• 然後這些電子直接移動並填充多個空穴。每個被佔據的空穴然後變成一個負離子。然後這些離子被電池負極排斥並驅動朝向結區。因此，結的P側耗盡區寬度增加。

耗盡區的總寬度直接取決於反向偏置二極體的外部電壓源。在這種情況下，二極體無法有效地支援電流流過寬的耗盡區。結果，電勢開始在結區發展並增加，直到勢壘電位等於外部偏置電壓。此後，二極體表現為非導體。

半導體器件 - 漏電流

PN接面二極體的一個重要的傳導限制是**漏電流**。當二極體反向偏置時，耗盡區的寬度會增加。通常，此條件需要限制載流子在結附近的積累。多數載流子主要在耗盡區中被抵消，因此耗盡區充當絕緣體。通常，載流子不會透過絕緣體。

可以看出，在反向偏置二極體中，一些電流流過耗盡區。這種電流稱為漏電流。漏電流取決於少數載流子。眾所周知，少數載流子是P型材料中的電子和N型材料中的空穴。

下圖顯示了當二極體反向偏置時載流子的反應。

觀察結果如下：

• 每種材料的少數載流子被推過耗盡區到結區。此動作會導致非常小的漏電流發生。通常，漏電流非常小，可以忽略不計。

• 在這裡，在漏電流的情況下，溫度起著重要的作用。少數載流子大多取決於溫度。

• 在25°C或78°F的室溫下，反向偏置二極體中存在的少數載流子數量可以忽略不計。

• 當環境溫度升高時，會導致少數載流子產生顯著增加，從而導致漏電流相應增加。

在所有反向偏置二極體中，一定程度的漏電流的出現是正常的。在鍺和矽二極體中，漏電流分別只有幾**微安**和**納安**。鍺比矽更容易受溫度影響。出於這個原因，現代半導體器件大多使用矽。

二極體特性

正向偏置和反向偏置操作具有不同的電流刻度。曲線的正向部分表明，當P區變為正而N區變為負時，二極體簡單地導通。

在高電阻方向上，二極體幾乎不導通電流，即當P區變為負而N區變為正時。現在空穴和電子從結區被排出，導致勢壘電位增加。這種情況由曲線的反向電流部分表示。

曲線的虛線部分表示**理想曲線**，如果沒有雪崩擊穿，就會出現這種情況。下圖顯示了PN接面二極體的靜態特性。

二極體IV特性

二極體的正向和反向電流電壓（IV）特性通常在一個特性曲線上進行比較。正向特性部分下方的圖顯示，正向電壓和反向電壓通常繪製在圖的水平線上。

正向和反向電流值顯示在圖的垂直軸上。正向電壓表示在右側，反向電壓表示在左側。起點或零值位於圖的中心。正向電流在水平軸上方延長，反向電流向下延伸。

組合的正向電壓和正向電流值位於圖的右上角，反向電壓和反向電流位於左下角。通常使用不同的比例尺來顯示正向和反向值。

正向特性

當二極體正向偏置時，它會沿正向導通電流（IF）。IF的值直接取決於正向電壓的大小。正向電壓和正向電流的關係稱為安培-伏特或二極體的IV特性。下圖顯示了典型的二極體正向IV特性。

觀察結果如下：

• 正向電壓是在二極體上測量的，正向電流是透過二極體的電流的量度。

• 當二極體上的正向電壓等於0V時，正向電流（IF）等於0 mA。

• 當值從圖的起點（0）開始時，如果VF逐步以0.1-V的步長增加，IF開始上升。

• 當 VF 的值足夠大以克服 PN 結的勢壘電位時，IF 會大幅增加。發生這種情況的點通常被稱為膝蓋電壓 V_K。對於鍺二極體，V_K 大約為 0.3 V，對於矽二極體則為 0.7 V。

• 如果 IF 的值遠超過 V_K，則正向電流會變得非常大。

這種操作會導致結點上產生過多的熱量，並可能損壞二極體。為了避免這種情況，需要將一個保護電阻與二極體串聯連線。該電阻將正向電流限制在其最大額定值內。通常，當二極體在正向方向工作時，會使用限流電阻。

反向特性

當二極體反向偏置時，它會導通反向電流，通常非常小。上圖顯示了典型的二極體反向 IV 特性曲線。

該圖中垂直的反向電流線上的電流值以微安表示。參與反向電流傳導的少數載流子數量非常少。一般來說，這意味著反向電流在很大一部分反向電壓範圍內保持恆定。當二極體的反向電壓從開始增加時，反向電流變化很小。在擊穿電壓 (VBR) 點，電流會迅速增加。此時，二極體上的電壓保持相當恆定。

這種恆壓特性導致二極體在反向偏置條件下具有許多應用。導致反向偏置二極體中電流傳導的過程稱為雪崩擊穿和齊納擊穿。

二極體規格

與任何其他選擇一樣，必須考慮為特定應用選擇二極體。製造商通常會提供此類資訊。規格包括最大電壓和電流額定值、常用工作條件、機械特性、引線識別、安裝程式等。

以下是一些重要的規格：

• 最大正向電流 (IFM) - 二極體能夠承受的絕對最大重複正向電流。

• 最大反向電壓 (VRM) - 可以施加到二極體上的絕對最大或峰值反向偏置電壓。

• 反向擊穿電壓 (VBR) - 發生擊穿的最小穩態反向電壓。

• 最大正向浪湧電流 (IFM-surge) - 在短時間內可以容忍的最大電流。該電流值遠大於 IFM。

• 最大反向電流 (IR) - 在器件工作溫度下可以容忍的絕對最大反向電流。

• 正向電壓 (VF) - 在器件工作溫度下，給定正向電流下的最大正向電壓降。

• 功耗 (PD) - 器件在 25°C 自由空氣中能夠安全持續吸收的最大功率。

• 反向恢復時間 (Trr) - 器件從導通狀態切換到關斷狀態所需的最大時間。

重要術語

• 擊穿電壓 - 它是 PN 結在反向電流突然上升時擊穿的最小反向偏置電壓。

• 膝蓋電壓 - 它是結點電流開始快速增加時的正向電壓。

• 峰值反向電壓 - 它是可以在 PN 結上施加的最大反向電壓，而不會損壞它。

• 最大正向額定值 - 它是 PN 結可以在不損壞的情況下透過的最高瞬時正向電流。

• 最大功率額定值 - 它是可以在不損壞結的情況下從結中耗散的最大功率。

發光二極體

發光二極體直接或間接地影響著我們的日常生活。從資訊顯示到 LED 電視，到處都有這些 LED。它基本上是一個 PN 結二極體，當允許正向電流透過時會發出光。下圖顯示了 LED 的邏輯符號。

PN 結二極體如何發光？

LED 不是由矽或鍺製成的，而是由砷化鎵 (GaAs) 和磷化鎵 (GaP) 等元素製成。這些材料的故意使用是因為它們會發光。因此，當 LED 正向偏置時，電子像往常一樣穿過結點並與空穴結合。

此動作會導致 N 型區域的電子脫離導帶並返回價帶。在此過程中，每個自由電子所具有的能量就會釋放出來。一部分釋放的能量以熱量的形式出現，其餘部分則以可見光能量的形式釋放。

如果 LED 由矽和鍺製成，則在電子複合過程中，所有能量都只會以熱量的形式耗散。另一方面，砷化鎵 (GaAs) 和磷化鎵 (GaP) 等材料擁有足夠的產生可見光的光子。

• 如果 LED 由砷化鎵製成，它們會產生紅光。
• 如果 LED 由磷化鎵製成，則此類 LED 會發出綠光。

現在考慮將兩個 LED 背對背連線到外部電壓電源上，使得一個 LED 的陽極連線到另一個 LED 的陰極，反之亦然。當外部電壓施加到該電路時，一次只有一個 LED 工作，並且由於該電路的動作，當一個 LED 正向偏置而另一個 LED 反向偏置或反之亦然時，它會發出不同的光。

LED 的優點

LED 提供以下優點：

• 尺寸非常小。
• 切換速度非常快。
• 可以用非常低的電壓工作。
• 非常長的預期壽命。
• 構造過程允許製造不同形狀和圖案的 LED。

LED 的應用

LED 主要用於數字顯示，顯示數字 0 到 9。它們也用於數字儀表、時鐘、計算器等中的七段顯示器。

半導體器件 - 齊納二極體

這是一種特殊的半導體二極體，它被設計為在反向擊穿區域工作。下圖描繪了齊納二極體的晶體結構和符號。它與傳統二極體非常相似。但是，為了將其與普通二極體的符號區分開來，進行了小的修改。彎曲的線表示齊納的字母“Z”。

齊納二極體和普通 PN 結二極體最顯著的區別在於它們在電路中的使用方式。這些二極體通常只在反向偏置方向工作，這意味著陽極必須連線到電源的負極，而陰極連線到正極。

如果普通二極體以與齊納二極體相同的方式使用，則由於過大的電流而會被損壞。此特性使得齊納二極體的重要性降低。

下圖顯示了一個帶有齊納二極體的穩壓器。

齊納二極體反向偏置連線在不穩定的直流電源上。它被重摻雜，以便降低反向擊穿電壓。這導致非常薄的耗盡層。因此，齊納二極體具有尖銳的反向擊穿電壓 V_z。

根據電路的工作原理，擊穿會隨著電流的突然增加而急劇發生，如下圖所示。

電壓 V_z 隨著電流的增加而保持恆定。由於此特性，齊納二極體廣泛用於電壓調節。它提供幾乎恆定的輸出電壓，而不管透過齊納二極體的電流如何變化。因此，負載電壓保持恆定值。

我們可以看到，在稱為膝蓋電壓的特定反向電壓下，電流隨著恆定電壓急劇增加。由於此特性，齊納二極體廣泛用於電壓穩定。

半導體器件 - 光電二極體

光電二極體是一種 PN 結二極體，當暴露在光線下時會導通電流。該二極體實際上設計為在反向偏置模式下工作。這意味著入射光強度越大，反向偏置電流就越大。

下圖顯示了光電二極體的示意圖符號和結構細節。

光電二極體的工作原理

它是一個反向偏置二極體。隨著入射光強度的增加，反向電流也會增加。這意味著反向電流與入射光強度成正比。

它由安裝在 P 型襯底上的 PN 結組成，並封裝在金屬外殼中。結點由透明透鏡製成，它是光線應該照射的視窗。

眾所周知，當 PN 結二極體反向偏置時，會流過非常小的反向電流。反向電流是由二極體耗盡區中的電子-空穴對熱產生的。

當光線照射到 PN 結上時，它會被結點吸收。這將產生更多的電子-空穴對。或者我們可以說，反向電流的量會增加。

換句話說，隨著入射光強度的增加，PN 結二極體的電阻減小。

• 此動作使二極體更具導電性。
• 這些二極體具有非常快的響應時間。
• 它們用於高效能計算裝置中。
• 它也用於報警電路、計數器電路等。

半導體器件 - 光伏電池

基本的光伏電池由形成 pn 結的 n 型和 p 型半導體組成。上部區域擴充套件且透明，通常暴露在陽光下。這些二極體或電池非常特殊，當暴露在光線下時會產生電壓。這些電池將光能直接轉換為電能。

下圖顯示了光伏電池的符號。

光伏電池的工作原理

光伏電池的結構與 PN 結二極體相似。當沒有光線照射時，不會有電流流過器件。在這種狀態下，電池將無法產生電流。

必須正確偏置電池，這需要相當數量的光線。一旦光線照射，就可以觀察到 PN 結二極體的顯著狀態。結果，電子獲得足夠的能量並從母原子中脫離。耗盡區中這些新生成的電子-空穴對穿過結點。

在此動作中，電子由於其正常的正離子濃度而移動到 N 型材料中。同樣，空穴由於其負離子含量而掃入 P 型材料中。這導致 N 型材料立即帶負電，而 P 型材料帶正電。然後 PN 結作為響應提供一個小的電壓。

光伏電池的特性

左邊的下圖顯示了一種特性，即光電二極體的反向電流 (I_R) 和照度 (E) 之間的曲線圖。IR 在垂直軸上測量，照度在水平軸上測量。該圖是透過零點的一條直線。

即，I_R = mE

m = 圖的直線斜率

引數m是二極體的靈敏度。

右邊的圖顯示了光電二極體的另一個特性，即光電二極體的反向電流 (I_R) 和反向電壓之間的曲線圖。從圖中可以清楚地看出，對於給定的反向電壓，隨著 PN 結上照度的增加，反向電流也會增加。

這些電池通常在光線照射時向負載裝置供電。如果需要更大的電壓，則使用這些電池的陣列來提供相同的電壓。因此，光伏電池用於光能水平較高的應用場合。

半導體器件 - 變容二極體

這是一種特殊的PN接面二極體，其PN材料中的雜質濃度不均勻。在普通的PN接面二極體中，摻雜雜質通常均勻地分散在整個材料中。而可變電容二極體在結附近摻雜極少量的雜質，並且雜質濃度隨著遠離結而增加。

在傳統的結型二極體中，耗盡區是分隔P型和N型材料的區域。耗盡區在結最初形成時就形成了。該區域沒有載流子，因此耗盡區充當介電介質或絕緣體。

以空穴為多數載流子的P型材料和以電子為多數載流子的N型材料現在充當帶電極板。因此，二極體可以被認為是一個電容器，具有N型和P型相反帶電極板，而耗盡區充當電介質。眾所周知，P型和N型材料作為半導體，被耗盡區絕緣體隔開。

設計用於響應反向偏置下電容效應的二極體稱為可變電容二極體（Varactor）、變容二極體（Varicap）或電壓可變電容器。

下圖顯示了可變電容二極體的符號。

可變電容二極體通常在反向偏置條件下工作。當反向偏置電壓增加時，耗盡區的寬度也增加，導致電容減小。這意味著當反向偏置電壓減小時，電容會相應增加。因此，二極體電容與偏置電壓成反比。通常情況下，這不是線性的關係。它的工作電壓範圍在零到反向擊穿電壓之間。

可變電容二極體的電容表示為：

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

• C_T = 結的總電容

• E = 半導體材料的介電常數

• A = 結的橫截面積

• W_d = 耗盡層的寬度

這些二極體廣泛用於微波應用。可變電容二極體也用於需要一定程度的電壓調諧或頻率控制的諧振電路中。這種二極體也用於調頻收音機和電視機接收機的自動頻率控制 (AFC) 中。

半導體器件 - 雙極電晶體

雙極電晶體主要由兩層相反型別的半導體材料背靠背連線而成。新增到矽或鍺中的雜質型別決定了其形成時的極性。

NPN電晶體

NPN電晶體由兩塊N型材料組成，中間隔著一層薄的P型半導體材料。上圖顯示了NPN電晶體的晶體結構和電路符號。

從每種型別的材料中引出三個引線，分別稱為發射極、基極和集電極。在符號中，當發射極的箭頭指向基極外部時，表示該器件為NPN型。

PNP電晶體

PNP電晶體由兩塊P型材料組成，中間隔著一層薄的N型半導體材料。下圖顯示了PNP電晶體的晶體結構和電路符號。

在符號中，當發射極的箭頭指向基極內部時，表示該器件為PNP型。

電晶體的結構

以下是晶體管制造中使用的一些製造技術：

擴散型

在這種方法中，半導體晶圓經受N型和P型雜質的氣相擴散，以形成發射極和集電極結。首先，確定基極-集電極結，並在基極擴散之前進行光刻蝕。之後，在基極上擴散發射極。透過這種技術製造的電晶體具有更好的噪聲係數，並且還提高了電流增益。

生長型

它是透過從熔融的矽或鍺中拉出單晶形成的。在晶體拉制過程中新增所需的雜質濃度。

外延型

在相同型別的高摻雜襯底上生長一層非常純淨且薄的矽或鍺單晶層。這種改進型的晶體形成集電極，發射極和基極結在其上形成。

合金型

在這種方法中，基極部分由薄片N型材料製成。在薄片的相對兩側，連線兩個小的銦點，並將完整的結構保持在高溫下較短時間。溫度應高於銦的熔點，低於鍺的熔點。此技術也稱為熔合結構。

電化學蝕刻型

在這種方法中，在半導體晶圓的相對兩側蝕刻凹陷以減小基區寬度。然後將合適的金屬電鍍到凹陷區域以形成發射極和集電極結。

半導體器件 - 電晶體偏置

電晶體具有三個部分：發射極、基極和集電極。

• 基極比發射極薄得多，而集電極則比兩者都寬。

• 發射極摻雜濃度很高，以便可以注入大量的載流子進行電流傳導。

• 基極將大部分載流子傳遞給集電極，因為它與發射極相比摻雜濃度較低，而集電極則更低。

為了使電晶體正常工作，發射極-基極區域必須正向偏置，而集電極-基極區域必須反向偏置。

在半導體電路中，電源電壓稱為偏置電壓。為了工作，雙極電晶體必須具有兩個結的偏置。這種情況會導致電流流過電路。器件的耗盡區減小，多數載流子被注入結。當電晶體工作時，它的一個結必須正向偏置，另一個必須反向偏置。

NPN電晶體的工作原理

如上圖所示，發射極到基極結正向偏置，集電極到基極結反向偏置。發射極到基極結的正向偏置導致電子從N型發射極流向偏置。這種情況形成發射極電流 (I_E)。

在穿過P型材料時，電子傾向於與空穴結合，通常很少，構成基極電流 (I_B)。其餘的電子穿過薄耗盡區到達集電極區域。此電流構成集電極電流 (I_C)。

換句話說，發射極電流實際上流過集電極電路。因此，可以認為發射極電流是基極電流和集電極電流的總和。它可以表示為：

I_E = I_B + I_C

PNP電晶體的工作原理

如以下圖所示，發射極到基極結正向偏置，集電極到基極結反向偏置。發射極到基極結的正向偏置導致空穴從P型發射極流向偏置。這種情況形成發射極電流 (I_E)。

在穿過N型材料時，電子傾向於與電子結合，通常很少，構成基極電流 (I_B)。其餘的空穴穿過薄耗盡區到達集電極區域。此電流構成集電極電流 (I_C)。

換句話說，發射極電流實際上流過集電極電路。因此，可以認為發射極電流是基極電流和集電極電流的總和。它可以表示為：

I_E = I_B + I_C

電晶體的配置

當電晶體連線到電路中時，需要四個端子或引線或引腳，輸入和輸出各兩個。眾所周知，電晶體只有3個端子，這種情況可以透過使一個端子對輸入和輸出部分都共用來克服。因此，電晶體可以按照以下三種配置連線：

• 共基極配置
• 共發射極配置
• 共集電極配置

以下是一些關於電晶體工作的要點。

• 電晶體可以在三個區域工作：放大區、飽和區和截止區。

• 當電晶體在放大區使用時，基極-發射極結正向偏置，集電極-基極結反向偏置。

• 當電晶體在飽和區使用時，基極-發射極結正向偏置，集電極-基極結也正向偏置。

• 當電晶體在截止區使用時，基極-發射極結和集電極-基極結都反向偏置。

電晶體配置比較

下表顯示了電晶體配置的比較。

電晶體的優點和缺點

下表列出了電晶體的優點和缺點。

電流放大係數 (α)

在恆定集電極-基極電壓V_cb下，集電極電流變化量與發射極電流變化量的比率稱為電流放大係數‘α’。它可以表示為

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$ 在恆定V_CB下

很明顯，電流放大係數小於1，並且它與基極電流成反比，考慮到基極摻雜濃度低且薄。

基極電流放大係數 (β)

它是集電極電流變化量與基極電流變化量的比率。基極電流的小變化會導致集電極電流發生非常大的變化。因此，電晶體能夠獲得電流增益。它可以表示為

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

電晶體作為放大器

下圖顯示負載電阻 (R_L) 與集電極電源電壓 (V_cc) 串聯。發射極和基極之間的微小電壓變化ΔV_i會導致相對較大的發射極電流變化ΔI_E。

我們用符號“a”表示此電流變化的一部分——被收集並透過R_L的部分。負載電阻上的輸出電壓變化ΔV_o = a'RL ΔI_E可能是輸入電壓變化ΔV_I的許多倍。在這種情況下，電壓放大倍數A == V_O/ΔV_I將大於1，電晶體充當放大器。

場效應電晶體

場效應電晶體 (FET) 是一種三端半導體器件。它的工作基於受控的輸入電壓。從外觀上看，JFET 和雙極電晶體非常相似。但是，BJT 是電流控制的器件，而 JFET 是由輸入電壓控制的。最常見的兩種 FET 是：

• 結型場效應電晶體 (JFET)
• 金氧半導體場效應電晶體 (IGFET)

結型場效應電晶體

結型場效應電晶體（JFET）的工作原理僅依賴於多數載流子（電子或空穴）的流動。基本上，JFET由包含側邊PN接面的N型或P型矽棒組成。以下是一些關於FET的重要要點：

• 柵極 − 使用擴散或合金化技術，對N型棒的兩側進行重摻雜以形成PN接面。這些摻雜區域稱為柵極 (G)。

• 源極 − 它是多數載流子的入口點，載流子透過它進入半導體棒。

• 漏極 − 它是多數載流子的出口點，載流子透過它離開半導體棒。

• 溝道 − 它是N型材料的區域，多數載流子透過它從源極流向漏極。

在半導體器件領域中，常用的JFET主要有兩種：N溝道JFET和P溝道JFET。

N溝道JFET

它在P型襯底上形成一層薄的N型材料。下圖顯示了N溝道JFET的晶體結構和示意圖。然後在N溝道頂部用P型材料形成柵極。在溝道的末端和柵極上連線引線，襯底沒有連線。

當將直流電壓源連線到JFET的源極和漏極引線時，最大電流將流過溝道。相同數量的電流將從源極和漏極端子流出。溝道電流的大小將由V_DD的值和溝道的內阻決定。

JFET的典型源漏電阻值是幾百歐姆。很明顯，即使柵極開路，溝道中也會發生全電流傳導。本質上，施加在ID上的偏置電壓量控制著透過JFET溝道的載流子的流動。透過微小的柵極電壓變化，可以控制JFET在全導通和截止狀態之間的任何位置。

P溝道JFET

它在N型襯底上形成一層薄的P型材料。下圖顯示了N溝道JFET（此處應為P溝道JFET）的晶體結構和示意圖。在P溝道頂部用N型材料形成柵極。在溝道的末端和柵極上連線引線。其餘的結構細節與N溝道JFET相似。

通常，為了正常工作，柵極端子相對於源極端子為正。P-N結耗盡層的尺寸取決於反向偏置柵極電壓值的波動。透過微小的柵極電壓變化，可以控制JFET在全導通和截止狀態之間的任何位置。

JFET的輸出特性

JFET的輸出特性是在恆定的柵源電壓(V_GS)下，漏極電流(I_D)和漏源電壓(V_DS)之間繪製的曲線圖，如下圖所示。

最初，漏極電流(I_D)隨著漏源電壓(V_DS)的增加而迅速上升，但在一個稱為夾斷電壓(V_P)的電壓下突然變得恆定。高於夾斷電壓時，溝道寬度變得非常窄，只允許非常小的漏極電流透過。因此，漏極電流(I_D)在夾斷電壓以上保持恆定。

JFET的引數

JFET的主要引數有：

• 交流漏極電阻 (Rd)
• 跨導
• 放大倍數

交流漏極電阻 (R_d) − 它是恆定柵源電壓下，漏源電壓變化量(ΔV_DS)與漏極電流變化量(ΔI_D)之比。其表示式為：

R_d = (ΔV_DS)/(ΔI_D) (V_GS恆定)

跨導 (g_fs) − 它是恆定漏源電壓下，漏極電流變化量(ΔI_D)與柵源電壓變化量(ΔV_GS)之比。其表示式為：

g_fs = (ΔI_D)/(ΔV_GS) (V_DS恆定)

放大倍數 (u) − 它是恆定漏極電流(ΔI_D)下，漏源電壓變化量(ΔV_DS)與柵源電壓變化量(ΔV_GS)之比。其表示式為：

u = (ΔV_DS)/(ΔV_GS) (I_D恆定)

半導體器件 - JFET 偏置

JFET 的偏置方法有兩種：自偏置法和分壓法。本章將詳細討論這兩種方法。

自偏置法

下圖顯示了N溝道JFET的自偏置方法。漏極電流流過R_s併產生所需的偏置電壓。因此，R_s是偏置電阻。

因此，偏置電阻上的電壓為：

$$V_s = I_{DRS}$$

眾所周知，柵極電流極小，柵極端子接地，V_G = 0，

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

或者 $V_{GS} = -I_{DRS}$

V_GS使柵極相對於源極保持負電位。

分壓法

下圖顯示了JFET的分壓偏置方法。這裡，電阻R₁和R₂在漏極電源電壓(V_DD)上形成分壓電路，它與電晶體偏置中使用的電路大致相同。

R₂上的電壓提供必要的偏置：

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

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

或者 $V_{GS} = V_2 - I_{D}R_S$

電路設計使得V_GS始終為負。可以使用以下公式找到工作點：

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

以及 $V_{DS} = V_{DD} - I_D(R_D + R_S)$

半導體器件 - MOSFET

金氧半導體場效應電晶體（MOSFET）也稱為MOSFET，具有更大的重要性，是FET家族的新成員。

它具有一個輕摻雜的P型襯底，其中擴散有兩個高度摻雜的N型區。該器件的一個獨特之處在於其柵極結構。在這裡，柵極與溝道完全絕緣。當向柵極施加電壓時，它將產生靜電荷。

此時，不允許電流流入器件的柵極區域。此外，柵極是器件的一個區域，該區域塗有金屬。通常，二氧化矽用作柵極和溝道之間的絕緣材料。由於這個原因，它也被稱為絕緣柵FET。廣泛使用的MOSFET有兩種：i) 耗盡型MOSFET ii) 增強型MOSFET。

耗盡型MOSFET (D-MOSFET)

下圖顯示了N溝道D-MOSFET及其符號。柵極與柵極作為一極板，另一極板為溝道，SiO₂層作為電介質，形成電容。當柵極電壓變化時，電容的電場發生變化，這反過來又改變了N溝道的電阻。

在這種情況下，我們可以對柵極施加正電壓或負電壓。當MOSFET以負柵極電壓工作時，稱為耗盡模式；當以正柵極電壓工作時，稱為MOSFET的增強模式。

耗盡模式

下圖顯示了在耗盡模式下工作的N溝道D-MOSFET。

其工作原理如下：

• 由於柵極呈負電位，因此大部分電子都位於柵極上，它排斥N溝道的電子。

• 此動作在溝道的一部分留下正離子。換句話說，N溝道中的一些自由電子被耗盡了。結果，可用於透過N溝道導電的電子數量減少了。

• 柵極上的負電壓越大，從源極到漏極的電流越小。因此，我們可以透過改變柵極上的負電壓來改變N溝道的電阻和從源極到漏極的電流。

增強模式

下圖顯示了在增強模式下工作的N溝道D-MOSFET。這裡，柵極充當電容。但是，在這種情況下，柵極是正的。它激發了N溝道中的電子，並且N溝道中的電子數量增加了。

正柵極電壓增強或增加了溝道的導電性。柵極上的正電壓越大，從源極到漏極的導電性就越大。

因此，我們可以透過改變柵極上的正電壓來改變N溝道的電阻和從源極到漏極的電流。

D-MOSFET的轉移特性

下圖顯示了D-MOSFET的轉移特性。

當V_GS為負時，I_D下降到I_DSS的值以下，直到達到零，V_GS = V_GS (off)（耗盡模式）。當V_GS為零時，I_D = I_DSS，因為柵極和源極端子短路。當V_GS為正時，I_D增加到I_DSS以上，並且MOSFET處於增強模式。

運算放大器

運算放大器 (op-amp) 是一種非常高增益的差分放大器，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。運算放大器通常用於提供電壓幅度變化、振盪器、濾波器電路等。運算放大器可能包含多個差分放大器級以實現非常高的電壓增益。

這是一種使用輸出和輸入之間直接耦合的高增益差分放大器。它適用於直流和交流操作。除了各種數學運算外，運算放大器還執行許多電子功能，例如儀表裝置、訊號發生器、有源濾波器等。這種多功能器件還用於許多非線性應用，例如電壓比較器、模數轉換器和數模轉換器、對數放大器、非線性函式發生器等。

基本差分放大器

下圖顯示了一個基本的差分放大器：

在上圖中：

• V_DI = 差分輸入

• V_DI = V₁ – V₂

• V_DO = 差分輸出

• V_DO = V_C1 - V_C2

該放大器放大兩個輸入訊號V₁和V₂之間的差值。

差分電壓增益為：

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

以及

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

如下圖所示，基本的運算放大器由三個級組成：

輸入級

這是第一級，具有以下特性：

• 高共模抑制比 (CMRR)
• 高輸入阻抗
• 寬頻寬
• 低(直流)輸入失調

運放效能的一些重要特性如下。此級由差分放大級和一個電晶體組成，該電晶體被偏置為恆流源。恆流源極大地提高了差分放大器的共模抑制比。

差分放大器的兩個輸入如下：

• V₁ = 同相輸入
• V₂ = 反相輸入

中間級

這是第二級，旨在獲得更好的電壓和電流增益。需要電流增益來為輸出級提供足夠的電流，運放的大部分功率都由輸出級產生。該級由一個或多個差分放大器、一個射極跟隨器和一個直流電平轉換級組成。電平轉換電路使放大器能夠具有兩個差分輸入和一個單輸出。

輸出級

這是運放的最後一級，設計為具有低輸出阻抗。這為驅動負載提供了所需的電流。隨著負載的變化，輸出級將或多或少地汲取電流。因此，前一級必須不受輸出負載的影響，這是至關重要的。透過設計該級使其具有高輸入阻抗和高電流增益，但低輸出阻抗來滿足此要求。

運放有兩個輸入：**同相輸入**和**反相輸入**。

上圖顯示了反相型運放。加在反相輸入端的訊號被放大，但輸出訊號與輸入訊號相位差180度。加在同相輸入端的訊號被放大，輸出訊號與輸入訊號同相。

運放可以連線到大量的電路中，以提供各種工作特性。

半導體器件 - 實用運放

反相放大器

下圖顯示了一個反相放大器。輸入訊號被放大並反相。這是最廣泛使用的恆增益放大器電路。

V_o = -R_f.V_in /R₁

電壓增益 A = (-R_f /R₁)

同相放大器

下圖顯示了一個用作同相放大器或恆增益乘法器的運放電路，它具有更好的頻率穩定性。

輸入訊號被放大，但沒有反相。

輸出 V_o = [(R₁ + R_f) / R₁] V₁

電壓增益 A = (R₁ + R_f) / R₁

反相加法器

下圖顯示了一個反相加法器。它是運放最常用的電路。該電路顯示了一個三輸入加法器，它提供了一種代數求和三個電壓的方法，每個電壓都乘以一個恆定的增益因子。輸出電壓表示為：

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)

半導體器件 - 積分器

下圖顯示使用的反饋元件是一個電容，由此產生的連線稱為積分器。

虛擬地等效電路表明，可以根據從輸入到輸出的電流 (I) 推匯出輸入和輸出之間的電壓表達式。回想一下，虛擬地意味著我們可以認為 R 和 X_C 連線處的電壓為地 (因為 V_i ≈ 0 V)，但是此時沒有電流流入地。容抗可以表示為

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

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

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

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

它可以寫成時域形式為

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

半導體器件 - 微分器

下圖顯示了一個微分器電路。

微分器提供了一個有用的運算，電路的結果關係為

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

以下是運放的一些重要引數：

開環電壓增益 (AVOL)

運放的開環電壓增益是在不使用負反饋的條件下其差分增益。AVOL 範圍從 74 dB 到 100 dB。

AVOL = [V_o/(V₁ – V₂)]

輸出失調電壓 (VOO)

運放的輸出失調電壓是指其差分輸入電壓為零時的輸出電壓。

共模抑制比 (CMR)

如果兩個輸入都處於相同的電位，導致差分輸入為零，並且如果輸出為零，則稱運放具有良好的共模抑制比。

共模增益 (AC)

運放的共模增益是共模輸出電壓與共模輸入電壓之比。

差模增益 (AD)

運放的差模增益是輸出與差分輸入之比。

Ad = [V_o / (V₁) - V₂]

共模抑制比 (CMRR)

運放的 CMRR 定義為閉環差模增益與共模增益之比。

CMRR = Ad/AC

壓擺率 (SR)

壓擺率是由階躍輸入電壓引起的輸出電壓變化率。理想的壓擺率是無限大的，這意味著運放輸出應該對輸入階躍電壓瞬時變化。

我們已經討論了運放的一些應用，例如微分器、積分器、加法器等。運放的其他一些常見應用包括：

• 對數放大器
• 模擬器 (電感模擬器)
• 直流和交流電壓跟隨器
• 模數轉換器
• 數模轉換器
• 過壓保護電源
• 極性指示器
• 電壓跟隨器
• 有源濾波器

半導體器件 - 振盪器

振盪器是一種產生正弦振盪的電子電路，稱為**正弦振盪器**。它將來自直流電源的輸入能量轉換為特定頻率和已知幅度的週期性波形的交流輸出能量。振盪器的特徵在於它保持其交流輸出。

下圖顯示了一個即使在沒有外部施加輸入訊號的情況下也具有反饋訊號的放大器。正弦振盪器本質上是一種反饋放大器，其中對電壓增益**A_v**和反饋網路**β**提出了特殊要求。

考慮上圖中的反饋放大器，其中反饋電壓 V_f = βV_O 提供整個輸入電壓

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

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

如果要產生輸出電壓，則輸入電壓不能為零。因此，為了使 V_i 存在，方程 (2) 要求

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

方程 (3) 稱為**“巴克豪森準則”**，它說明了振盪的兩個基本要求：

• 放大器和反饋環路周圍的電壓增益（稱為環路增益）必須為單位，或 $A_V\beta = 1$。

• V_i 和 V_f 之間的相移（稱為環路相移）必須為零。

如果滿足這兩個條件，則上圖中的反饋放大器將持續產生正弦輸出波形。

現在讓我們詳細討論一些典型的振盪器電路。

移相振盪器

遵循反饋電路基本原理的振盪器電路是移相振盪器。下圖顯示了一個移相振盪器。振盪的要求是環路增益 (βA) 應大於單位，並且輸入和輸出之間的相移應為 360^o。

反饋是從 RC 網路的輸出返回到放大器輸入。運放放大器級提供初始 180 度相移，RC 網路引入額外的相移。在特定頻率下，網路引入的相移恰好為 180 度，因此環路將為 360 度，反饋電壓與輸入電壓同相。

反饋網路中的 RC 級數最少為三個，因為每個部分提供 60 度的相移。RC 振盪器非常適合音訊頻率範圍，從幾個週期到大約 100 KHz。在較高頻率下，網路阻抗變得非常低，以至於它可能會嚴重載入放大器，從而將其電壓增益降低到所需最小值以下，並且振盪將停止。

在低頻下，載入效應通常不是問題，並且所需的較大電阻和電容值很容易獲得。使用基本網路分析，振盪頻率可以表示為

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

維恩電橋振盪器

一個實用的振盪器電路使用運放和 RC 電橋電路，振盪頻率由**R**和**C**元件設定。下圖顯示了維恩電橋振盪器電路的基本版本。

注意基本電橋連線。電阻器 R₁ 和 R₂ 以及電容器 C₁ 和 C₂ 構成頻率調整元件，而電阻器 R₃ 和 R₄ 構成反饋路徑的一部分。

在此應用中，電橋的輸入電壓 (V_i) 是放大器的輸出電壓，電橋的輸出電壓 (V_o) 反饋到放大器輸入。忽略運放輸入和輸出阻抗的載入效應，電橋電路的分析結果為

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

以及

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

如果 R₁ = R₂ = R 且 C₁ = C₂ = C，則產生的振盪頻率為

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

哈特利振盪器

下圖顯示了哈特利振盪器。它是最常見的射頻電路之一。它通常用作通訊廣播接收器中的本地振盪器。共射連線中的雙極結型電晶體是電壓放大器，並由由 R₁、R₂、R_E 組成的通用偏置電路偏置。射極旁路電容 (C_E) 增加了這個單電晶體級的電壓增益。

集電極電路中的射頻扼流圈 (RFC) 在射頻頻率下充當開路，並防止射頻能量進入電源。諧振電路由 L₁、L₂ 和 C 組成。振盪頻率由 L₁、L₂ 和 C 的值決定，並由 LC 諧振電路的諧振頻率決定。此諧振頻率表示為

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

輸出訊號可以透過電容耦合從集電極獲取，前提是負載足夠大且振盪頻率不受影響。

壓電性

許多天然晶體物質都表現出壓電特性，其中最重要的有石英、羅謝爾鹽和電氣石。當在這些材料上施加正弦電壓時，它們會以施加電壓的頻率振動。

另一方面，當這些材料受到壓縮並處於機械應力而振動時，它們會產生等效的正弦電壓。因此，這些材料被稱為壓電晶體。石英是最常用的壓電晶體。

晶體振盪器

晶體振盪器的電路圖如下所示。

此處的晶體充當調諧電路。晶體的等效電路如下所示。

晶體振盪器具有兩個諧振頻率：串聯諧振頻率和並聯諧振頻率。

串聯諧振頻率

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

並聯諧振頻率

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

由於C/Cm非常小，這兩個諧振頻率幾乎相同。在上圖中，晶體以並聯諧振模式連線。

電阻器R₁、R₂、R_E和電晶體一起構成一個放大器電路。電阻器R₁和R₂提供電壓穩定的直流偏置。電容(C_E)提供發射極電阻(R_E)的交流旁路，而RFC則對振盪器產生的頻率提供高阻抗，以免它們進入電源線。

晶體與電容C₁和C₂並聯，當其阻抗最大時，允許從集電極到發射極的最大電壓反饋。在其他頻率下，晶體阻抗較低，因此產生的反饋太小而無法維持振盪。振盪器頻率穩定在晶體的並聯諧振頻率。

反饋與補償

偏置網路的基本目的是在電路的工作點（工作點也稱為靜態工作點、Q點、無訊號點、空閒點或靜態點）建立集電極-基極-發射極電壓和電流關係。由於電晶體很少在此Q點工作，因此基本偏置網路通常用作設計參考點或起點。

實際電路配置，特別是偏置網路值，是根據動態電路條件（所需的輸出電壓擺幅、預期的輸入訊號電平等）選擇的。一旦建立了所需的工作點，偏置網路的下一個功能就是將放大器電路穩定在這個點上。基本偏置網路必須在溫度和電源變化以及可能的電晶體更換的情況下保持所需的電流關係。

在某些情況下，頻率變化和元件再次引起的變也必須由偏置網路抵消。此過程通常稱為偏置穩定。適當的偏置穩定將使放大器電路保持在所需的工作點（在實際限制內），並將防止熱失控。

穩定性係數“S”

它定義為集電極電流相對於反向飽和電流的變化率，保持β和V_BE恆定。它表示為

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

偏置穩定方法

使工作點與溫度變化或電晶體引數變化無關的方法稱為**穩定**。有幾種方案可以提供固態放大器的偏置穩定。所有這些方案都採用某種形式的負反饋。也就是說，電晶體電流中的任何階段都會產生相應的電壓或電流變化，這些變化傾向於抵消初始變化。

有兩種產生負反饋的基本方法：反向電壓反饋和反向電流反饋。

反向電壓反饋

下圖顯示了基本的反向電壓偏置網路。發射極-基極結由R₁和R₂連線處的電壓正向偏置。基極-集電極結由集電極和基極電壓之間的差值反向偏置。

通常，電阻耦合放大器的集電極電壓約為電源電壓的一半。連線在集電極和基極之間的電阻器（R₃）。由於集電極電壓為正，因此一部分電壓反饋到基極以支援正向偏置。

發射極-基極結上的正常（或Q點）正向偏置是發射極和基極之間所有電壓的結果。隨著集電極電流的增加，R_L上的電壓降會增大。結果，集電極上的電壓下降，減少透過R₃反饋到基極的電壓。這會降低發射極-基極正向偏置，降低發射極電流並降低集電極電流至其正常值。由於集電極電流最初下降，因此會發生相反的動作，並且集電極電流升高到其正常（Q點）值。

放大器中任何形式的負反饋都傾向於反對所有變化，即使是由被放大的訊號產生的變化也是如此。這種反向或負反饋傾向於降低並穩定增益，以及不需要的變化。這種透過反饋來穩定增益的原理或多或少地用於所有型別的放大器。

反向電流反饋

下圖顯示了使用NPN電晶體的獨特的反向電流（發射極反饋）偏置網路。與電壓反饋相比，電流反饋在固態放大器中更常用。這是因為電晶體主要是電流驅動器件，而不是電壓驅動器件。

在任何偏置電路中使用發射極反饋電阻可以概括如下：基極電流取決於基極和發射極之間電壓的差值。如果差分電壓降低，則流動的基極電流就會減少。

當差分電壓增加時，情況正好相反。所有電流都流過集電極。因此，跨發射極電阻的電壓降並非完全獨立。隨著集電極電流的增加，發射極電流和跨發射極電阻的電壓降也將增加。這種負反饋傾向於減小基極和發射極之間的差值，從而降低基極電流。反過來，較低的基極電流傾向於減小集電極電流，並抵消初始的集電極電流增加。

偏置補償

在固態放大器中，當在特定應用中訊號增益的損失無法容忍時，通常使用補償技術來減少工作點的漂移。為了提供最大的偏置和熱穩定性，可以同時採用補償和穩定方法。

下圖顯示了利用二極體補償和自偏置穩定的二極體補償技術。如果二極體和電晶體是相同型別的，則它們在整個電路中具有相同的溫度係數。這裡，二極體是正向偏置的。給定電路的KVL可以表示為：

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

從上式可以清楚地看出，V_BE關於溫度跟隨VO，Ic對V_BE的變化沒有影響。這是一種有效的方法，可以解決由於V_BE變化而引起的電晶體工作點的變化。

溫度補償器件

我們還可以使用一些溫度敏感器件來補償電晶體內部特性的變化。熱敏電阻具有負溫度係數，這意味著隨著溫度的升高，其電阻呈指數下降。下圖顯示了一個使用熱敏電阻 (R_T) 來減少由於V_BE、ICO或β隨溫度變化而導致的集電極電流增加的電路。

當溫度升高時，R_T下降，流經R_T進入R_E的電流增加。跨R_E的作用電壓降與反向偏置電晶體的方向相反。R_T的作用是傾向於補償IC的增加，而IC由於溫度升高而增加。