低頻電子電路-01(20110918hf)

《低頻電子電路》----------人民郵電出版社21世紀(jì)高等院校信息與通信工程規(guī)劃教材普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材課程概述電子電路：特指含半導(dǎo)體元器件的電路，并能

對(duì)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)某種處理的功能電路。低頻電子電路：電信號(hào)周期較大的電子電路，本

書(shū)也涉及一些“電子電路基礎(chǔ)”內(nèi)容。半導(dǎo)體元器件：二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路?！兜皖l電子電路》課程結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體非線性分析受控特性分析放大單元與器件電路應(yīng)用結(jié)構(gòu)與改良《低頻電子電路》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(lèi)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(jì)的關(guān)系《低頻電子電路》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(chǎng)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》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(lèi)型半導(dǎo)體材料

--------半導(dǎo)體的電阻性質(zhì)N型半導(dǎo)體概述三層次的半導(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(lèi)型半導(dǎo)體材料的不同簡(jiǎn)單組合

--------非線性導(dǎo)體性質(zhì)PN正極負(fù)極NPP+P+P+N概述三層次的半導(dǎo)體元器件第3層

多類(lèi)型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合

--------半導(dǎo)體的信號(hào)處理功能第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.1

單一類(lèi)型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能第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)。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

導(dǎo)體：鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。

絕緣體：惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體：硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無(wú)雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)無(wú)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)成半導(dǎo)體導(dǎo)電原理分析方法：共價(jià)鍵方法，能帶理論方法雜質(zhì)半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體)（1）共價(jià)鍵方法----晶體結(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(dòng)能力分析，半導(dǎo)體導(dǎo)電分析半導(dǎo)體分類(lèi)1硅和鍺晶體的共價(jià)鍵分析法硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型：+14284+3228418+4價(jià)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)體的伏安特性硅或鍺的本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)，即共價(jià)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(jià)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

激發(fā)VS復(fù)合

當(dāng)T

升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。

共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無(wú)外界影響)

時(shí)，共價(jià)鍵中無(wú)自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱(chēng)結(jié)論

空穴：價(jià)電子層的電子逸出后留下的空位；自由電子：遠(yuǎn)離價(jià)電子層的電子（受原子核作用?。＜ぐl(fā)；+4+4+4+4+4反之，稱(chēng)為復(fù)合。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路當(dāng)原子中的價(jià)電子層失去電子時(shí)，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(jià)電子軌道層面的電子運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為空穴運(yùn)動(dòng)。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)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

空穴運(yùn)動(dòng)VS電子運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電通常，將自由電子軌道層面的電子運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為自由電子的運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為電子運(yùn)動(dòng)。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路在半導(dǎo)體整體平臺(tái)中，電子運(yùn)行軌道可以采用對(duì)應(yīng)的電子能量來(lái)表示，因此，有了物質(zhì)的電子軌道的能級(jí)圖和能帶圖。2硅和鍺晶體中電子活動(dòng)的能帶分析法第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路電子在同一能帶中不同能級(jí)間的運(yùn)動(dòng)變遷較為容易；跨能帶的運(yùn)動(dòng)變遷必需通過(guò)能量的較大吸收或釋放，即由此跨越禁帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。從價(jià)帶到導(dǎo)帶的電子軌道變遷，與前述的激發(fā)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)；從導(dǎo)帶到價(jià)帶的電子軌道變遷，與前述的復(fù)合運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)。

結(jié)論：電子在導(dǎo)帶內(nèi)部的電子軌道變遷，與前述的電子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)；電子在價(jià)帶內(nèi)部的電子軌道變遷，與前述的空穴運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路溫度一定時(shí)：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)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(duì)。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)元件與非線性電路漂移與漂移電流載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)漂移運(yùn)動(dòng)，由此形成的電流稱(chēng)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

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率+-V長(zhǎng)度l截面積S電場(chǎng)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(lái)代替。但電阻的阻值會(huì)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

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(jiǎn)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(jià)元素構(gòu)成。第1章晶體二極管施主雜質(zhì)P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡(jiǎn)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(jià)元素構(gòu)成。第1章晶體二極管受主雜質(zhì)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(jì)算N型半導(dǎo)體(熱平衡條件)(電中性條件)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章晶體二極管晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：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：?jiǎn)畏较驅(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(jí)上仍按晶體延續(xù)方式結(jié)合在一起。載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱(chēng)擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：

擴(kuò)散與擴(kuò)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(wú)電壓時(shí)PN結(jié)的載流子分布與交換空穴自由電子自由電子擴(kuò)散電流方向與濃度減小方向相反P區(qū)與N區(qū)的交界區(qū)域?yàn)镻N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)元件與非線性電路阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場(chǎng)開(kāi)始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過(guò)PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過(guò)程第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路

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(kuò)散—漂移---動(dòng)態(tài)平衡------載流子分布見(jiàn)圖（c）載流子擴(kuò)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(jí)差異，見(jiàn)圖（b）

PN結(jié)的物理空間稱(chēng)為耗盡層

PN結(jié)的物理空間稱(chēng)為空間電荷區(qū)，或勢(shì)壘區(qū)

內(nèi)建電位差（電量描述）：室溫時(shí)鍺管VB00.2~0.3V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1.2.2有電壓時(shí)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1.2.2有電壓時(shí)PN結(jié)的導(dǎo)電能力1PN結(jié)的電阻特性P+N內(nèi)建電場(chǎng)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(chǎng)減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移擴(kuò)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(kuò)散電荷被電源吸收和補(bǔ)充P+N內(nèi)建電場(chǎng)

El0-+VPN結(jié)反偏空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)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(wú)關(guān)。溫度T電流IS結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。?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(bǔ)充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(lái)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(wú)關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時(shí)：反偏時(shí)：第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路）PN結(jié)——伏安特性曲線（-ISSiGeVD(on)VD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)Avj>VD(on)時(shí)隨著vj

正向R

很小ij

PN結(jié)導(dǎo)通；vj<VD(on)時(shí)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℃，VD(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|vj|

=V(BR)時(shí)，|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(shí)，載流子動(dòng)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(jià)電子場(chǎng)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）因?yàn)門(mén)

載流子運(yùn)動(dòng)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?yàn)門(mén)

價(jià)電子自身活躍度增強(qiáng)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(guò)大，結(jié)溫升高，半導(dǎo)體激發(fā)加強(qiáng)，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(kāi)路狀態(tài)。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路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(shì)壘電容CT

擴(kuò)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(chǔ)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PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則Cj

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

為主。故：PN結(jié)反偏時(shí)，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1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路1.2.3

4種常見(jiàn)二極管導(dǎo)電情況

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(diǎn)：普通二極管是為利用PN結(jié)單向?qū)щ娦远鴮?zhuān)門(mén)制造的二極管。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(jí)，鍺管的

為A數(shù)量級(jí)。

（2）正向特性。

電流較小時(shí)，二極管的伏安特性更接近指數(shù)特性；

電流較大時(shí)，二極管的伏安特性更接近直線特性。

電流有明顯數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的外加正向電壓

稱(chēng)為門(mén)坎電壓，記為Vth。硅二極管約為0.5V，鍺二極管

約為0.1V。VthSi

利用PN結(jié)的反向擊穿特性專(zhuān)門(mén)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

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光電二極管將PN結(jié)上的能耗有效地轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)發(fā)射出來(lái)的特種二極管。

發(fā)光二極管流過(guò)電流時(shí)將發(fā)出光來(lái)，用不同材料制成的發(fā)光二極管會(huì)發(fā)出不同顏色（波長(zhǎng)）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(lái)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(jiǎn)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(shí)際元器件的電路模型都只是在特定條件下的等效模型。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(jiàn)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(chēng)理想二極管模型。第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路ivVD0ivVD(on)iv0對(duì)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）abVD(on)RDD+-abVD(on)D+-abD對(duì)應(yīng)導(dǎo)通，即有電流時(shí)的表達(dá)式如下特定工作點(diǎn)Q條件下的小信號(hào)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)元件與非線性電路注意：高頻電路中，需考慮Cj

影響。因高頻工作時(shí)，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴?huì)因Cj

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1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路3二極管的計(jì)算機(jī)仿真模型（SPICE）表1-3-1 SPICE二極管模型的主要參數(shù)表

一般來(lái)說(shuō)，往往會(huì)根據(jù)實(shí)際的需求來(lái)選用元器件模型。其中，簡(jiǎn)單模型有利于工程上近似快速分析，也適用于手工計(jì)算的需要；復(fù)雜模型則比較適合計(jì)算機(jī)分析，也方便進(jìn)行數(shù)值分析對(duì)比，以利于電路的最終工程實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。

確定信息類(lèi)型和表述特點(diǎn)1.3.2分析模型選擇與典型運(yùn)用分析1．?dāng)?shù)字信息處理與二極管的開(kāi)關(guān)運(yùn)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(duì)應(yīng)的電位情況與相應(yīng)信息對(duì)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(lái)表述，即二極管可以采用直折線模型2。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(duì)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(méi)有影響信息的表述