低频电子电路章

会计学1低频电子电路章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1页/共61页第1部分半导体非线性分析

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《低频电子电路》第2页/共61页第1部分半导体非线性分析

第二章

半导体受控器件基础2.1

双极型晶体管的电量制约关系2.2

场效应管的电量制约关系2.3元器件的模型研究与仿真的工程意义《低频电子电路》第3页/共61页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型半导体第4页/共61页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第5页/共61页第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

--------非线性导体性质第6页/共61页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第7页/共61页第1章半导体基础元件与非线性电路第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8页/共61页1.1

单一类型半导体的导电性能无杂质的---本征半导体物质结构：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第9页/共61页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第10页/共61页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第11页/共61页

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第12页/共61页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第13页/共61页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第14页/共61页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（较精细）和能带图（对较大能级差体现明显）。第1章半导体基础元件与非线性电路第15页/共61页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（共价键分析与能带分析的对应）：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第16页/共61页温度一定时：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第17页/共61页

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第18页/共61页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第19页/共61页

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章晶体二极管第20页/共61页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章晶体二极管第21页/共61页注：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章晶体二极管第22页/共61页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。第23页/共61页载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。扩散电流密度：

扩散与扩散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0第1章半导体基础元件与非线性电路1.2.1无电压时PN结的载流子分布与交换第24页/共61页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第25页/共61页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第26页/共61页

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，或势垒区第27页/共61页

内建电位差（电量描述）：室温时锗管VB0

0.2~0.3V硅管VB00.5~0.7V

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第28页/共61页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第29页/共61页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第30页/共61页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第31页/共61页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）第32页/共61页PN结——伏安特性曲线（-ISSiGeVj(on)Vj(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结Vj(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)Avj=Vj(on)时随着vj

正向R

很小ij

PN结导通；vj<Vj(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℃，Vj(on)

约减小2.5mV。0）第1章半导体基础元件与非线性电路第33页/共61页|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）第34页/共61页因为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

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。第1章半导体基础元件与非线性电路第35页/共61页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第36页/共61页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37页/共61页第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第38页/共61页

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39页/共61页第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第40页/共61页

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稳压二极管第41页/共61页

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光电二极管第42页/共61页将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发光二极管第43页/共61页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。第44页/共61页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45页/共61页第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）abVD0RDD+-abVD(on)D+-abD对应导通时，模型的电压电流表达式如下：第46页/共61页特定工作点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第47页/共61页注意：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48页/共61页第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第49页/共61页

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1.3.2分析模型选择与典型运用分析1．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50页/共61页第1章半导体基础元件与非线性电路已知：表1-3-2 图1-3-6对应的电位情况与相应信息对应信息表述ABC000011101111

代表信息1、0的电位可以采用有一定误差的高、低电位来表述，即二极管可以采用直折线模型2。第51页/共61页第1章半导体基础元件与非线性电路结果：表1-3-2 图1-3-6对应的电位情况与相应信息

代表信息1的电位在4.4V～5V左右；代表信息0的电位在0V左右，即选用的元器件模型没有影响信息的表述，能说明问题。直折线模型计算000054.4504.4554.4abVD(on)D+-第52页/共61页2．电位平移电路目标与二极管运用确定电路：

输入与输出相差一直流电压

可依据二极管的直折线模型2----完成电路第1章半导体基础元件与非线性电路已知：第53页/共61页简单分析：

依据二极管的直折线模型2第1章半导体基础元件与非线性电路电路：第54页/共61页

依据高等数学的泰勒级数，即第1章半导体基础元件与非线性电路分析数学基础：其中，只与输入直流有关，可由下图来计算近似