低頻電子電路章

會計學(xué)1低頻電子電路章課程結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體非線性分析（1、2章）受控特性分析（3章）放大單元與器件（4-7章）電路應(yīng)用結(jié)構(gòu)與改良（8章）《低頻電子電路》第1頁/共61頁第1部分半導(dǎo)體非線性分析

第一章

半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.1

單一類型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能1.2

半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)電性能1.3

半導(dǎo)體非線性電路的分析基礎(chǔ)1.4

半導(dǎo)體非線性電路的近似分析

與電路系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系《低頻電子電路》第2頁/共61頁第1部分半導(dǎo)體非線性分析

第二章

半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)2.1

雙極型晶體管的電量制約關(guān)系2.2

場效應(yīng)管的電量制約關(guān)系2.3元器件的模型研究與仿真的工程意義《低頻電子電路》第3頁/共61頁概述三層次的半導(dǎo)體元器件第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體第1層

單一類型半導(dǎo)體材料

--------半導(dǎo)體的電阻性質(zhì)N型半導(dǎo)體第4頁/共61頁概述三層次的半導(dǎo)體元器件第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第2層

多類型半導(dǎo)體材料的不同簡單組合

--------非線性導(dǎo)體性質(zhì)PN正極負(fù)極NPP+P+P+N第5頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第2層

多類型半導(dǎo)體材料的不同簡單組合

--------非線性導(dǎo)體性質(zhì)第6頁/共61頁三層次的半導(dǎo)體元器件第3層

多類型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合

--------半導(dǎo)體的信號處理功能第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第7頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第3層

多類型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合

--------半導(dǎo)體的信號處理功能第8頁/共61頁1.1

單一類型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能無雜質(zhì)的---本征半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)構(gòu)：原子按有序排列的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成分類導(dǎo)電原理分析方法：共價鍵方法，能帶理論方法第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。雜質(zhì)半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體)（1）共價鍵方法----原子間結(jié)構(gòu)，外層電子軌道位置（2）能帶理論方法-----半導(dǎo)體內(nèi)電子流動能力分析第9頁/共61頁1硅和鍺晶體的共價鍵分析法硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.1.1本征半導(dǎo)體的伏安特性第10頁/共61頁硅或鍺的本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)，即共價鍵結(jié)構(gòu)。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵本征半導(dǎo)體第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第11頁/共61頁

激發(fā)

當(dāng)T

升高或光線照射時產(chǎn)生自由電子空穴對。

共價鍵具有很強的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無外界影響)

時，共價鍵中無自由移動的電子。這種現(xiàn)象稱結(jié)論：空穴價電子層的電子空位；自由電子的遠(yuǎn)離價電子層的電子（受原子核作用?。?。激發(fā)；+4+4+4+4+4反之，稱為復(fù)合。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第12頁/共61頁當(dāng)原子中的價電子層失去電子時，原子的慣性核帶正電，可將其視為空位或空穴帶正電。通常，將原子間價電子軌道層面的電子運動稱為空穴運動。注意：空穴運動方向與價電子運動的方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子

空穴的運動空穴—帶正電通常，將自由電子軌道層面的電子運動稱為自由電子的運動，簡稱為電子運動。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第13頁/共61頁2硅和鍺晶體中電子活動的能帶分析法第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第14頁/共61頁在半導(dǎo)體整體平臺中，電子運行軌道可以采用對應(yīng)的電子能量來表示，因此，有了物質(zhì)的電子軌道的能級圖（較精細(xì)）和能帶圖（對較大能級差體現(xiàn)明顯）。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第15頁/共61頁電子在同一能帶中不同能級間的運動變遷較為容易；跨能帶的運動變遷必需通過能量的較大吸收或釋放，即由此跨越禁帶來實現(xiàn)。從價帶到導(dǎo)帶的電子軌道變遷，與前述的激發(fā)運動對應(yīng)；從導(dǎo)帶到價帶的電子軌道變遷，與前述的復(fù)合運動對應(yīng)。

結(jié)論（共價鍵分析與能帶分析的對應(yīng)）：電子在導(dǎo)帶內(nèi)部的電子軌道變遷，與前述的電子運動對應(yīng)；電子在價帶內(nèi)部的電子軌道變遷，與前述的空穴運動對應(yīng)。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第16頁/共61頁溫度一定時：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動態(tài)平衡。

熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第17頁/共61頁

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率+-V長度l截面積S電場EI電阻：電導(dǎo)率：

本征半導(dǎo)體的電壓電流關(guān)系可由等效的電阻元件來代替。但電阻的阻值會受到溫度和光照的影響。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第18頁/共61頁漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，由此形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第19頁/共61頁

N型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)+4+4+5+4+4簡化模型：N型半導(dǎo)體多子——自由電子（靠雜質(zhì)和激發(fā)）少子——空穴（靠少量激發(fā)產(chǎn)生）自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價元素構(gòu)成。第1章晶體二極管第20頁/共61頁P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子（靠少量激發(fā)產(chǎn)生）多子——空穴（靠雜質(zhì)和激發(fā)）空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價元素構(gòu)成。第1章晶體二極管第21頁/共61頁注：N型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度；P型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度

雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計算N型半導(dǎo)體(質(zhì)量作用定理)(電中性方程)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性少子濃度取決于溫度的激發(fā)。多子濃度主要取決于摻雜濃度。第1章晶體二極管第22頁/共61頁晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：單方向?qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.2半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)電性能利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級上仍按晶體延續(xù)方式結(jié)合在一起。第23頁/共61頁載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。擴散電流密度：

擴散與擴散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.2.1無電壓時PN結(jié)的載流子分布與交換第24頁/共61頁P區(qū)與N區(qū)的交界區(qū)域為PN結(jié)。

N型P型PN結(jié)PN結(jié)載流子分布第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第25頁/共61頁阻止多子擴散出現(xiàn)內(nèi)建電場開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴散利于少子漂移最終達(dá)動態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過程第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第26頁/共61頁

PN結(jié)的載流子分布第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路

穿越能力載流子擴散—漂移---動態(tài)平衡------載流子分布見圖（c）載流子擴散導(dǎo)致同層電子軌道存在電位差（內(nèi)建電位差），即載流子穿越存在能級差異，見圖（b）

PN結(jié)的物理空間稱為耗盡層

PN結(jié)的物理空間稱為空間電荷區(qū)，或勢壘區(qū)第27頁/共61頁

內(nèi)建電位差（電量描述）：室溫時鍺管VB0

0.2~0.3V硅管VB00.5~0.7V

空間電荷區(qū)寬度（物理空間描述）：

注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內(nèi)建電位差VB越大，阻擋層寬度l0

越小。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第28頁/共61頁1.2.2有電壓時PN結(jié)的導(dǎo)電能力PN結(jié)的電阻特性第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第29頁/共61頁1.2.2有電壓時PN結(jié)的導(dǎo)電能力1PN結(jié)的電阻特性P+N內(nèi)建電場El0+-VPN結(jié)正偏空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)內(nèi)建電場減弱多子擴散>>少子漂移擴散形成較大的電流PN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流I第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路PN結(jié)——導(dǎo)電原理擴散電荷被電源吸收和補充第30頁/共61頁P+N內(nèi)建電場

El0-+VPN結(jié)反偏空間電荷區(qū)內(nèi)建電場增強少子漂移>>多子擴散少子漂移形成微小的反向電流

ISPN結(jié)接近截止IRIS與V近似無關(guān)。溫度T電流IS結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴５?章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路阻擋層變寬少子被電源吸收和補充第31頁/共61頁PN結(jié)——伏安特性方程式（PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：熱電壓26mV(室溫)其中：

IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時：反偏時：第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路）第32頁/共61頁PN結(jié)——伏安特性曲線（-ISSiGeVj(on)Vj(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)Vj(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)Avj=Vj(on)時隨著vj

正向R

很小ij

PN結(jié)導(dǎo)通；vj<Vj(on)時ij

很小(ij

-IS)反向R很大PN結(jié)截止。溫度每升高10℃，IS

約增加一倍。溫度每升高1℃，Vj(on)

約減小2.5mV。0）第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第33頁/共61頁|vj|

=V(BR)時，

|ij|急劇，

PN結(jié)反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(l0

較寬)發(fā)生條件：形成原因：外加反向電壓較大(>6V)

時，載流子動能增大形成碰撞電離。-V(BR)ijvj形成原因：外加反向電壓較小(<6V)，就能導(dǎo)致價電子場致激發(fā)。

發(fā)生條件：PN結(jié)摻雜濃度較高(l0

較窄)0PN結(jié)的擊穿特性（第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路）第34頁/共61頁因為T

載流子運動的平均自由路程V(BR)。

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。

齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。因為T

價電子自身活躍度增強V(BR)。2PN結(jié)的熱擊穿現(xiàn)象

熱擊穿是指PN結(jié)功率耗損過大，結(jié)溫升高，半導(dǎo)體激發(fā)加強，導(dǎo)致PN結(jié)功耗進(jìn)一步增大的惡性循環(huán)。循環(huán)的最終結(jié)果，必將導(dǎo)致PN結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，半導(dǎo)體材料被燒毀，PN結(jié)的導(dǎo)電特性不復(fù)存在的開路狀態(tài)。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第35頁/共61頁3

PN結(jié)的電容特性PN結(jié)內(nèi)凈電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。

勢壘電容CT

擴散電容CD

PN結(jié)貯存的自由電子和空穴同步增減所需的電荷儲量變化的電容效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第36頁/共61頁PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時，CT>>CD，則Cj

CTPN結(jié)總電容：Cj=CT+CDPN結(jié)正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時，以CD

為主。故：PN結(jié)反偏時，以CT

為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第37頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.2.3

4種常見二極管導(dǎo)電情況第38頁/共61頁

結(jié)構(gòu)：“PN結(jié)+單一半導(dǎo)體”構(gòu)成

特性：PN結(jié)電阻特性+體電阻RS第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1普通二極管的特性

特點：普通二極管是為利用PN結(jié)單向?qū)щ娦远鴮ｉT制造的二極管。第39頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路普通二極管參數(shù)

（1）反向特性。

二極管的反向電流主要由PN結(jié)的反向飽和電流IS決定。硅管的

為nA數(shù)量級，鍺管的

為A數(shù)量級。

（2）正向特性。

電流較小時，二極管的伏安特性更接近指數(shù)特性；

電流較大時，二極管的伏安特性更接近直線特性。

電流有明顯數(shù)值時對應(yīng)的外加正向電壓

稱為門坎電壓，記為Vth。硅二極管約為0.5V，鍺二極管

約為0.1V。VthSi第40頁/共61頁

利用PN結(jié)的反向擊穿特性專門制成的二極管。

正常應(yīng)用區(qū)域要求：

-IZmin<-iD<

-IZmax-VZiD-IZmin-IZmax+-VZ0vD第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路2穩(wěn)壓二極管第41頁/共61頁

光電二極管屬于光生伏特效應(yīng)器件中與半導(dǎo)體有關(guān)的兩端元件。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路3光電二極管第42頁/共61頁將PN結(jié)上的能耗有效地轉(zhuǎn)換成光強發(fā)射出來的特種二極管。

發(fā)光二極管流過電流時將發(fā)出光來，用不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同顏色（波長）的光。發(fā)光二極管應(yīng)采用透光材料進(jìn)行封裝。發(fā)光二極管常用于顯示信息的電視屏、電氣設(shè)備中的電源指示燈。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路4發(fā)光二極管第43頁/共61頁1.3半導(dǎo)體非線性電路的分析基礎(chǔ)分為：低頻電阻特性分析，高頻特性分析；后者分析需采用仿真工具來完成。

電路分析均是建立在特定等效模型基礎(chǔ)上的分析。

靈活選擇元器件模型和模型表達(dá)方式，可以簡化分析的復(fù)雜度。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路

任何實際元器件的電路模型都只是在特定條件下的等效模型。第44頁/共61頁1.3.1電阻特性分析初步與工程分析概念第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1電路模型與理性二極管ivVD0ivVD(on)iv0按近似精度遞減給出普通二極管常見的直折線近似等效模型曲線如下

直折線模型（1）直折線模型（2）直折線模型（3）注：直折線近似等效模型（3）也稱理想二極管模型。第45頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路ivVD0ivVD(on)iv0對應(yīng)電路模型如下

直折線模型（1）直折線模型（2）直折線模型（3）abVD0RDD+-abVD(on)D+-abD對應(yīng)導(dǎo)通時，模型的電壓電流表達(dá)式如下：第46頁/共61頁特定工作點Q條件下的小信號電路模型rsrjivQrs：P區(qū)和N區(qū)的體電阻，數(shù)值很小。rj：為PN結(jié)的增量結(jié)電阻。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第47頁/共61頁注意：高頻電路中，需考慮Cj

影響。因高頻工作時，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴駽j

的交流旁路作用而變差。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路2二極管高頻模型第48頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路3二極管的計算機仿真模型（SPICE）表1-3-1 SPICE二極管模型的主要參數(shù)表第49頁/共61頁

一般來說，往往會根據(jù)實際的需求來選用元器件模型。其中，簡單模型有利于工程上近似快速分析，也適用于手工計算的需要；復(fù)雜模型則比較適合計算機分析，也方便進(jìn)行數(shù)值分析對比，以利于電路的最終工程實現(xiàn)和優(yōu)化。

確定信息類型和表述特點1.3.2分析模型選擇與典型運用分析1．?dāng)?shù)字信息處理與二極管的開關(guān)運用分析步驟：

選定元器件模型

確定分析手段第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路第50頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路已知：表1-3-2 圖1-3-6對應(yīng)的電位情況與相應(yīng)信息對應(yīng)信息表述ABC000011101111

代表信息1、0的電位可以采用有一定誤差的高、低電位來表述，即二極管可以采用直折線模型2。第51頁/共61頁第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路結(jié)果：表1-3-2 圖1-3-6對應(yīng)的電位情況與相應(yīng)信息

代表信息1的電位在4.4V～5V左右；代表信息0的電位在0V左右，即選用的元器件模型沒有影響信息的表述，能說明問題。直折線模型計算000054.4504.4554.4abVD(on)D+-第52頁/共61頁2．電位平移電路目標(biāo)與二極管運用確定電路：

輸入與輸出相差一直流電壓

可依據(jù)二極管的直折線模型2----完成電路第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路已知：第53頁/共61頁簡單分析：

依據(jù)二極管的直折線模型2第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路電路：第54頁/共61頁

依據(jù)高等數(shù)學(xué)的泰勒級數(shù)，即第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：其中，只與輸入直流有關(guān)，可由下圖來計算近似