低频电子电路--第1章

《低频电子电路》----------人民邮电出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材授课：曾浩课程概述电子电路：特指含半导体元器件的电路，并能

对电信号实现某种处理的功能电路。低频电子电路：电信号周期较大的电子电路，本

书也涉及一些“电子电路”相关基础。半导体元器件：二极管、场效应管、集成电路。《低频电子电路》课程结构半导体非线性分析（1、2章）受控特性分析（3章）放大单元与器件（4-7章）电路应用结构与改良（8章）《低频电子电路》第一章

半导体基础元件与非线性电路1.1

单一类型半导体的导电性能1.2

半导体二极管的导电性能1.3

半导体非线性电路的分析基础1.4

半导体非线性电路的近似分析

与电路系统设计的关系第1章半导体基础元件与非线性电路概述三层次的半导体元器件第1章半导体基础元件与非线性电路P型半导体本征半导体第1层

单一类型半导体材料

--------半导体的电阻性质N型半导体概述三层次的半导体元器件第1章半导体基础元件与非线性电路第2层

多类型半导体材料的不同简单组合

--------非线性导体性质PN正极负极NPP+P+P+N概述三层次的半导体元器件第3层

多类型半导体材料的复杂组合

--------半导体的信号处理功能第1章半导体基础元件与非线性电路1.1

单一类型半导体的导电性能无杂质的---本征半导体物资结构：原子按有序排列的晶体结构构成分类导电原理分析方法：共价键方法，能带理论方法第1章半导体基础元件与非线性电路半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。杂质半导体（P型半导体、N型半导体)（1）共价键方法----原子间结构，外层电子轨道位置（2）能带理论方法-----半导体内电子流动能力分析1硅和锗晶体的共价键分析法硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核第1章半导体基础元件与非线性电路1.1.1本征半导体的伏安特性硅或锗的本征半导体的原子结构，即共价键结构。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4共价键本征半导体第1章半导体基础元件与非线性电路

激发

当T

升高或光线照射时产生自由电子空穴对。

共价键具有很强的结合力。当T=0K(无外界影响)

时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称结论：空穴价电子层的电子空位；自由电子的远离价电子层的电子（受原子核作用小）。激发；+4+4+4+4+4反之，称为复合。第1章半导体基础元件与非线性电路当原子中的价电子层失去电子时，原子的惯性核带正电，可将其视为空位或空穴带正电。通常，将原子间价电子轨道层面的电子运动称为空穴运动。注意：空穴运动方向与价电子运动的方向相反。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子

空穴的运动空穴—带正电通常，将自由电子轨道层面的电子运动称为自由电子的运动，简称为电子运动。第1章半导体基础元件与非线性电路2硅和锗晶体中电子活动的能带分析法第1章半导体基础元件与非线性电路在半导体整体平台中，电子运行轨道可以采用对应的电子能量来表示，因此，有了物质的电子轨道的能级图和能带图。第1章半导体基础元件与非线性电路电子在同一能带中不同能级间的运动变迁较为容易；跨能带的运动变迁必需通过能量的较大吸收或释放，即由此跨越禁带来实现。从价带到导带的电子轨道变迁，与前述的激发运动对应；从导带到价带的电子轨道变迁，与前述的复合运动对应。

结论：电子在导带内部的电子轨道变迁，与前述的电子运动对应；电子在价带内部的电子轨道变迁，与前述的空穴运动对应。第1章半导体基础元件与非线性电路温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。

热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发——产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性第1章半导体基础元件与非线性电路

半导体的电导率+-V长度l截面积S电场EI电阻：电导率：

本征半导体的电压电流关系可由等效的电阻元件来代替。但电阻的阻值会受到温度和光照的影响。第1章半导体基础元件与非线性电路漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称漂移运动，由此形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率第1章半导体基础元件与非线性电路

N型半导体：1.1.2杂质半导体的结构+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子——自由电子（靠杂质和激发）少子——空穴（靠少量激发产生）自由电子本征半导体中掺入少量五价元素构成。第1章晶体二极管P型半导体+4+4+3+4+4简化模型：P型半导体少子——自由电子（靠少量激发产生）多子——空穴（靠杂质和激发）空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。第1章晶体二极管注：N型半导体杂质浓度；P型半导体杂质浓度

杂质半导体中载流浓度计算N型半导体(质量作用定理)(电中性方程)P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度的激发。多子浓度主要取决于掺杂浓度。第1章晶体二极管晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。即第1章半导体基础元件与非线性电路1.2半导体二极管的导电性能利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上仍按晶体延续方式结合在一起。PN结中载流子的运动1.扩散运动电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。N型P型1.2.1无电压时PN结的载流子分布与交换第1章半导体基础元件与非线性电路2.扩散运动形成空间电荷区——PN结，耗尽层。N型P型空间电荷区耗尽层3.空间电荷区产生电场——内电场内电场阻止多子的扩散

——

阻挡层。N型P型阻挡层内电场VB0空间电荷区正负离子之间电位差VB0

——电位壁垒。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反N型P型阻挡层内电场VB05.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，内电场则逐渐增强。随着内电场的增强，扩散电流逐渐减小；漂移运动逐渐增加。当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。P区与N区的交界区域为PN结。

N型P型PN结PN结载流子分布第1章半导体基础元件与非线性电路阻止多子扩散出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。

PN结形成的物理过程第1章半导体基础元件与非线性电路

PN结的载流子分布第1章半导体基础元件与非线性电路

穿越能力载流子扩散—漂移---动态平衡------载流子分布见图（c）载流子扩散导致同层电子轨道存在电位差（内建电位差），即载流子穿越存在能级差异，见图（b）

PN结的物理空间称为耗尽层

PN结的物理空间称为空间电荷区，或势垒区

内建电位差（电量描述）：

空间电荷区宽度（物理空间描述）：

注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越大，阻挡层宽度l0

越小。第1章半导体基础元件与非线性电路1.2.2有电压时PN结的导电能力PN结的电阻特性第1章半导体基础元件与非线性电路1.2.2有电压时PN结的导电能力1PN结的电阻特性P+N内建电场El0+-VPN结正偏空间电荷区变薄空间电荷区内建电场减弱多子扩散>>少子漂移扩散形成较大的电流PN结导通I电压V电流I第1章半导体基础元件与非线性电路PN结——导电原理扩散电荷被电源吸收和补充P+N内建电场

El0-+VPN结反偏空间电荷区内建电场增强少子漂移>>多子扩散少子漂移形成微小的反向电流

ISPN结接近截止IRIS与V近似无关。温度T电流IS结论：PN结具有单方向导电特性。第1章半导体基础元件与非线性电路阻挡层变宽少子被电源吸收和补充PN结——伏安特性方程式（PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压26mV(室温)其中：

IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：反偏时：第1章半导体基础元件与非线性电路）PN结——伏安特性曲线（-ISSiGeVD(on)VD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)Avj>VD(on)时随着vj

正向R

很小ij

PN结导通；vj<VD(on)时ij

很小(ij

-IS)反向R很大PN结截止。温度每升高10℃，IS

约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)

约减小2.5mV。0）第1章半导体基础元件与非线性电路|vj|

=V(BR)时，

|ij|急剧，

PN结反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(l0

较宽)发生条件：形成原因：外加反向电压较大(>6V)

时，载流子动能增大形成碰撞电离。-V(BR)ijvj形成原因：外加反向电压较小(<6V)，就能导致价电子场致激发。

发生条件：PN结掺杂浓度较高(l0

较窄)0PN结的击穿特性（第1章半导体基础元件与非线性电路）因为T

载流子运动的平均自由路程V(BR)。

雪崩击穿电压具有正温度系数。

齐纳击穿电压具有负温度系数。因为T

价电子自身活跃度增强V(BR)。2PN结的热击穿现象第1章半导体基础元件与非线性电路热击穿是指PN结功率耗损过大，结温升高，半导体激发加强，导致PN结功耗进一步增大的恶性循环。循环的最终结果，必将导致PN结的晶体结构遭到破坏，半导体材料被烧毁，PN结的导电特性不复存在的开路状态3

PN结的电容特性PN结内净电荷量随外加电压变化产生的电容效应。

势垒电容CT

扩散电容CD

PN结贮存的自由电子和空穴同步增减所需的电荷储量变化的电容效应。CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N第1章半导体基础元件与非线性电路PN结电容PN结反偏时，CT>>CD，则Cj

CTPN结总电容：Cj=CT+CDPN结正偏时，CD>>CT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以CD

为主。故：PN结反偏时，以CT

为主。通常：CD几十pF~几千pF。通常：CT

几pF~几十pF。第1章半导体基础元件与非线性电路第1章半导体基础元件与非线性电路1.2.3

4种常见二极管导电情况

结构：“PN结+单一半导体”构成

特性：PN结电阻特性+体电阻RS第1章半导体基础元件与非线性电路1普通二极管的特性

特点：普通二极管是为利用PN结单向导电性而专门制造的二极管。第1章半导体基础元件与非线性电路普通二极管参数

（1）反向特性。

二极管的反向电流主要由PN结的反向饱和电流IS决定。硅管的

为nA数量级，锗管的

为A数量级。

（2）正向特性。

电流较小时，二极管的伏安特性更接近指数特性；

电流较大时，二极管的伏安特性更接近直线特性。

电流有明显数值时对应的外加正向电压

称为门坎电压，记为Vth。硅二极管约为0.5V，锗二极管

约为0.1V。VthSi

利用PN结的反向击穿特性专门制成的二极管。

正常应用区域要求：

-IZmin<-iD<

-IZmax-VZiD-IZmin-IZmax+-VZ0vD第1章半导体基础元件与非线性电路2稳压二极管

光电二极管属于光生伏特效应器件中与半导体有关的两端元件。第1章半导体基础元件与非线性电路3光电二极管将PN结上的能耗有效地转换成光强发射出来的特种二极管。

发光二极管流过电流时将发出光来，用不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色（波长）的光。发光二极管应采用透光材料进行封装。发光二极管常用于显示信息的电视屏、电气设备中的电源指示灯。第1章半导体基础元件与非线性电路4发光二极管1.3半导体非线性电路的分析基础分为：低频电阻特性分析，高频特性分析；后者分析需采用仿真工具来完成。

电路分析均是建立在特定等效模型基础上的分析。

灵活选择元器件模型和模型表达方式，可以简化分析的复杂度。第1章半导体基础元件与非线性电路

任何实际元器件的电路模型都只是在特定条件下的等效模型。1.3.1

电阻特性分析初步与工程分析概念第1章半导体基础元件与非线性电路1电路模型与理性二极管ivVD0ivVD(on)iv0按近似精度递减给出普通二极管常见的直折线近似等效模型曲线如下

直折线模型（1）直折线模型（2）直折线模型（3）注：直折线近似等效模型（3）也称理想二极管模型。第1章半导体基础元件与非线性电路ivVD0ivVD(on)iv0对应电路模型如下

直折线模型（1）直折线模型（2）直折线模型（3）abVD(on)RDD+-abVD(on)D+-abD对应导通，即有电流时的表达式如下特定工作点Q条件下的小信号电路模型rsrjivQrs：P区和N区的体电阻，数值很小。rj：为PN结的增量结电阻。第1章半导体基础元件与非线性电路注意：高频电路中，需考虑Cj

影响。因高频工作时，

Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj

的交流旁路作用而变差。第1章半导体基础元件与非线性电路2二极管高频模型第1章半导体基础元件与非线性电路3二极管的计算机仿真模型（SPICE）表1-3-1 SPICE二极管模型的主要参数表图解法1．分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法）写出管外电路直流负载线方程。利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：作直流负载线。分析直流工作点。优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。1.3.2分析模型选择与典型运用分析第1章半导体基础元件与非线性电路例1：已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。IVQ+-RVDDDI+-V由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR在直流负载线上任取两点：解：VDDVDD/R连接两点，画出直流负载线。VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交点，即为Q点。第1章半导体基础元件与非线性电路简化分析法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。（1）估算法判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。理想二极管：若V>0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若V>VD(on)，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。第1章半导体基础元件与非线性电路例2：设二极管是理想的，求VAO值。图(a)，假设D开路，则D两端电压：VD=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K6V9V(b)图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V

由于VD2>VD1

，则D2优先导通。此时VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

第1章半导体基础元件与非线性电路（2）画输出信号波形方法根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出vO与vI关系画输出信号波形。例3：设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画vO波形。解：vi>2V时，D导通，则vO=vivi2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。

+-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026第1章半导体基础元件与非线性电路小信号分析法即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：将直流电源短路，画交流通路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。第1章半导体基础元件与非线性电路

一般来说，往往会根据实际的需求来选用元器件模型。其中，简单模型有利于工程上近似快速分析，也适用于手工计算的需要；复杂模型则比较适合计算机分析，也方便进行数值分析对比，以利于电路的最终工程实现和优化。

确定信息类型和表述特点2．数字信息处理与二极管的开关运用分析步骤：

选定元器件模型

确定分析手段第1章半导体基础元件与非线性电路第1章半导体基础元件与非线性电路已知：对应信息表述ABC000011101111

代表信息1、0的电位可以采用有