1低频电子电路第一章.ppt

■《《低频电子电路低频电子电路》》----------人民邮电出版社人民邮电出版社21世纪高等院校信息与通信工程规划教材世纪高等院校信息与通信工程规划教材普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材1■第一章第一章 半导体基础元件半导体基础元件 与非线性电路与非线性电路1.1　　单一类型半导体的导电性能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半导体非线性电路的近似分析 与电路系统设计的关系与电路系统设计的关系《《低频电子电路低频电子电路》》2■概概 述述三层次的半导体元器件三层次的半导体元器件第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路P型半导体型半导体本征半导体本征半导体第第1层层 单一类型半导体材料单一类型半导体材料 --------半导体的电阻性质半导体的电阻性质N型半导体型半导体3■概概 述述三层次的半导体元器件三层次的半导体元器件第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路第第2层层 多类型半导体材料的不同简单组合多类型半导体材料的不同简单组合 --------非线性非线性导体性质导体性质PN正极正极负极负极NPP+P+P+N4■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路第第2层层 多类型半导体材料的不同简单组合多类型半导体材料的不同简单组合 --------非线性非线性导体性质导体性质5■三层次的半导体元器件三层次的半导体元器件第第3层层 多类型半导体材料的复杂组合多类型半导体材料的复杂组合 --------半导体的半导体的信号处理功能信号处理功能第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路6■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路第第3层层 多类型半导体材料的复杂组合多类型半导体材料的复杂组合 --------半导体的半导体的信号处理功能信号处理功能7■　　　　1. 导导体体：：电电阻阻率率   < 10- -4   · cm 的的物物质质。

如如铜铜、、银、铝等金属材料银、铝等金属材料　　　　2. 绝绝缘缘体体：：电电阻阻率率   > 109  · cm 物物质质如如橡橡胶胶、、塑料等　　　　3. 半半导导体体：：导导电电性性能能介介于于导导体体和和半半导导体体之之间间的的物物质质大大多多数数半半导导体体器器件件所所用用的的主主要要材材料料是是硅硅( (Si) )和和锗锗( (Ge) )半导体导电性能是由其原子结构决定的半导体导电性能是由其原子结构决定的1.11.1 单一类型半导体的导电性能单一类型半导体的导电性能8■无杂质的无杂质的---本征半导体本征半导体物资结构：物资结构：原子按有序排列的晶体结构构成原子按有序排列的晶体结构构成导电原理分析方法导电原理分析方法：共价键方法，能带理论方法：共价键方法，能带理论方法第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路半导体分类半导体分类杂质半导体（杂质半导体（P型半导体、型半导体、N型半导体型半导体) )（（1）共价键方法）共价键方法----原子间结构，外层电子轨道位置原子间结构，外层电子轨道位置（（2）能带理论方法）能带理论方法-----半导体内电子流动能力分析半导体内电子流动能力分析9■1　硅和锗晶体的共价键分析法　硅和锗晶体的共价键分析法硅硅( (Si) )、锗、锗( (Ge) )原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路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　本征半导体的伏安特性10■本征半导体本征半导体第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4　　　　完完全全纯纯净净的的、、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体称为本征半导体。

体称为本征半导体 　　　　将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，，它它的的原原子子结结构构为为共共价价键键结结构图图 　单晶体中的共价键结构　单晶体中的共价键结构共共价价键键价价电电子子　　　　当当温温度度 T = 0 K 时时，，半半导体不导电，如同绝缘体导体不导电，如同绝缘体11■+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 本征半导体中的本征半导体中的 　　　　　　 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T   ，，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位——空穴T   自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，，但很微弱但很微弱　　　　空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子12■Ø 激发激发（本征激发）（本征激发）q 当当 T 升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对自由电子空穴对这种现象称这种现象称结论：空穴：结论：空穴：价电子层的电子空位；价电子层的电子空位；自由电子自由电子：远离价：远离价电子层的电子（受原子核作用小）。

电子层的电子（受原子核作用小）激发；激发；+4+4+4+4+4反之，称为反之，称为复合复合第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路13■　　　　当当原原子子中中的的价价电电子子层层失失去去电电子子时时，，原原子子的的惯惯性性核核带带正电，可将其视为空位或正电，可将其视为空位或空穴空穴带正电　　通常，将原子间价电子轨道层面的电子运动称为　　通常，将原子间价电子轨道层面的电子运动称为空空穴运动穴运动注意：注意：空穴运动方向与价电子运动的方向相反空穴运动方向与价电子运动的方向相反Ø 空穴的运动空穴的运动　　通常，将自由电子轨道层面的电子运动称为　　通常，将自由电子轨道层面的电子运动称为自由电自由电子的运动子的运动，简称为，简称为电子运动电子运动第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路14■　　在在半半导导体体整整体体平平台台中中，，电电子子运运行行轨轨道道可可以以采采用用对对应应的的电电子子能能量来表示，因此，有了物质的电子轨道的量来表示，因此，有了物质的电子轨道的能级图能级图和和能带图能带图第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路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硅和锗晶体中电子活动的能带分析法15■　　　　电电子子在在同同一一能能带带中中不不同同能能级级间间的的运运动动变变迁迁较较为为容容易易；；跨跨能能带带的的运运动动变变迁迁必必需需通通过过能能量量的的较较大大吸吸收收或或释释放放，，即即由此跨越禁带来实现。

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　　从价带到导带的电子轨道变迁，与前述的激发激发运动运动对应；从导带到价带的电子轨道变迁，与前述的对应；从导带到价带的电子轨道变迁，与前述的复合复合运运动对应Ø 结论：结论：　　电子在导带内部的电子轨道变迁，与前述的　　电子在导带内部的电子轨道变迁，与前述的电子运电子运动动对应；电子在价带内部的电子轨道变迁，与前述的对应；电子在价带内部的电子轨道变迁，与前述的空空穴运动穴运动对应第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路16■温度一定时：温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡动态平衡v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发——产生产生自由电子空穴对自由电子空穴对电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量——复合T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路17■1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带带负电的负电的自由电子自由电子带带正电的正电的空穴空穴 　　　　2. 本本征征半半导导体体中中，，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，，称为称为 电子电子 - 空穴对。

空穴对　　　　3. 本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni = pi 　　　　4. 由由于于物物质质的的运运动动，，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合在在一一定定的的温温度度下下，，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平衡，载流子的浓度就一定了平衡，载流子的浓度就一定了　　　　5. 载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加高，基本按指数规律增加Ø 总结总结18■Ø 半导体的电导率半导体的电导率+ - -V长度长度 l截面积截面积 S电场电场 EI电导率：电导率： 本征半导体的电压电流关系本征半导体的电压电流关系可由等效的电阻元件来代替可由等效的电阻元件来代替第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路 由于由于本征半导体的本征半导体的载流子载流子——自由电子自由电子—空穴的数目空穴的数目会会受到温度和光照的影响受到温度和光照的影响所以所以本征半导体的阻值本征半导体的阻值也也会受到温会受到温度和光照的影响。

度和光照的影响19■²漂移与漂移电流漂移与漂移电流　　载流子在电场作用下的运动称　　载流子在电场作用下的运动称漂移运动，漂移运动，由此由此形成形成的电流称的电流称漂移电流漂移电流漂移电流密度漂移电流密度总漂移电流密度：总漂移电流密度：迁移率迁移率第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路20■1.1.2　杂质半导体的结构　杂质半导体的结构 在本征半导体中掺入某些在本征半导体中掺入某些微量微量的杂质，就会使半的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化其原因是掺杂半导体导体的导电性能发生显著变化其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加的某种载流子浓度大大增加P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）称为（空穴半导体）N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半体，自由电子浓度大大增加的杂质半体， 也称为（电子半导体）也称为（电子半导体）21■第第 1 章　晶体二极管章　晶体二极管v N N型半导体：型半导体：+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素磷（或锑）构成。

元素磷（或锑）构成 自自由由电电子子浓浓度度远远大大于于空空穴穴的的浓浓度度，，即即 n >> p 电电子子称称为为多多数数载载流流子子( (简简称称多多子子) )，，空空穴穴称称为为少少数数载载流流子子( (简简称称少子少子) )磷原子给出一个电磷原子给出一个电子，称为子，称为施主杂质施主杂质22■v P 型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：P 型半导体型半导体少子少子——自由电子（靠少量激发产生）自由电子（靠少量激发产生）多子多子——空穴（靠杂质和激发）空穴（靠杂质和激发）空空 穴穴第第 1 章　晶体二极管章　晶体二极管硼硼原子给出一个电原子给出一个电子，称为子，称为受主杂质受主杂质本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素硼（或铟）构成元素硼（或铟）构成23■ 综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。

成为提高半导体导电性能最有效的方法杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流但型半导体多子和少子的移动都能形成电流但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是多子杂质半导体总体上保持电中性杂质半导体总体上保持电中性24■注：注： N N型半导体杂质浓度；型半导体杂质浓度； P P型半导体杂质浓度型半导体杂质浓度Ø 杂质半导体中载流浓度计算杂质半导体中载流浓度计算N 型半导体型半导体( (质量作用定理质量作用定理) )( (电中性方程电中性方程) )P 型半导体型半导体杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度的激发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多子浓度主要取决于掺杂浓度第第 1 章　晶体二极管章　晶体二极管25■晶体二极管结构及电路符号：晶体二极管结构及电路符号：PN 结正偏结正偏( (P 接接 +、、N 接接 -)-)，，D 导通PN正极正极负极负极晶体二极管的主要特性：晶体二极管的主要特性：单方向导电特性单方向导电特性PN 结反偏结反偏( (N 接接 +、、P 接接 -)-)，，D 截止。

截止即即第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路1.21.2 半导体二极管的导电性能半导体二极管的导电性能　　　　利利用用掺掺杂杂工工艺艺，，把把 P 型型半半导导体体和和 N 型型半半导导体体在在原原子子级上仍按晶体延续方式结合在一起级上仍按晶体延续方式结合在一起 26■　　　　载载流流子子在在浓浓度度差差作作用用下下的的运运动动称称扩扩散散运运动动，，所所形形成成的电流称的电流称扩散电流扩散电流扩散电流密度：扩散电流密度：Ø 扩散与扩散电流扩散与扩散电流N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xn0p0第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路1.2.1　无电压时　无电压时PN结的载流子分布与交换结的载流子分布与交换27■Ø PN结结第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路 利用掺杂工艺，把利用掺杂工艺，把P P型半导体和型半导体和N N型半导体在原子级型半导体在原子级上紧密结合，上紧密结合，P P区与区与N N区的交界面就形成了区的交界面就形成了PNPN结 掺杂掺杂N型型P型型PN结结28■Ø PN结中载流子的运动结中载流子的运动1. 扩散运动扩散运动电子和空穴浓度差形成电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。

多数载流子的扩散运动N型型P型型29■2. 扩散运动形成空间电荷区扩散运动形成空间电荷区 —— PN 结，耗尽层结，耗尽层N型型P型型空间电空间电荷区荷区耗尽层耗尽层30■3. 空间电荷区产生电场空间电荷区产生电场 —— 内电场内电场内电场阻止多子的扩散内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层N型型P型型阻挡层阻挡层内电场内电场VB0空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 VB0 —— 电位壁垒电位壁垒31■4. 漂移运动漂移运动内电场有利于少子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少子的运动与多子运动方向相反N型型P型型阻挡层阻挡层内电场内电场VB032■5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，内电场则逐渐增强扩散运动使空间电荷区增大，内电场则逐渐增强 随随着着内内电电场场的的增增强强，，扩扩散散电电流流逐逐渐渐减减小小；；漂漂移移运运动动逐渐增加逐渐增加 当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时，，PN结结总总的的电电流流等等于于零零，，空空间间电电荷荷区区的的宽宽度度达达到到稳稳定定。

即即扩扩散散运运动动与与漂漂移移运动达到动态平衡运动达到动态平衡33■阻止多子扩散阻止多子扩散出现内建电场出现内建电场开始因浓度差开始因浓度差产生空间电荷区产生空间电荷区引起多子扩散引起多子扩散利于少子漂移利于少子漂移最终达动态平衡最终达动态平衡注意：注意： PN 结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过相抵消，通过 PN 结的电流为零结的电流为零 Ø PN 结形成的物理过程结形成的物理过程第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路34■Ø PN 结的载流子分布结的载流子分布第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路Ø 穿越能力穿越能力 载流子扩散载流子扩散—漂移漂移---动态动态平衡平衡------载流子分布见图（载流子分布见图（c）） 载流子扩散导致同层电子载流子扩散导致同层电子轨道存在电位差（轨道存在电位差（内建电位差内建电位差）），即载流子穿越存在，即载流子穿越存在能级差异能级差异，，见图（见图（b）） PN结的物理空间称为结的物理空间称为耗尽耗尽层层 PN结的物理空间称为结的物理空间称为空空间电荷区间电荷区，或，或势垒区势垒区35■Ø 内建电位差内建电位差（电量描述）：（电量描述）：室温时室温时锗管锗管 VB0   0.2 ~ 0.3 V硅管硅管 VB0   0.5 ~ 0.7 VØ 空间电荷区宽度空间电荷区宽度（物理空间描述）：（物理空间描述）： 注意：注意：掺杂浓度掺杂浓度( (Na、、Nd) )越大，内建电位差越大，内建电位差 VB越大，阻越大，阻 　　　挡层宽度　　　挡层宽度 l0 越小。

越小第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路36■1.2.2　有电压时　有电压时PN 结的导电能力结的导电能力Ø PN 结的电阻特性结的电阻特性第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路VD(on)反向击反向击穿电压穿电压导通电压导通电压37■1.2.2　有电压时　有电压时PN 结的导电能力结的导电能力1 PN 结的电阻特性结的电阻特性P+N内建电场内建电场 El0+ -+ -VPN 结结正偏正偏空间电荷区变薄空间电荷区变薄空间电荷区内电场减弱空间电荷区内电场减弱多子扩散多子扩散 >> 少子漂移少子漂移扩散形成扩散形成较大较大的电流的电流 PN 结导通结导通I电压电压 V  电流电流 I 第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路Ø PN 结结——导电原理导电原理扩散电荷被电源吸收和补充扩散电荷被电源吸收和补充38■P+N内建内建电场电场 El0- +- +VPN 结结反偏反偏空间电荷区内电场增强空间电荷区内电场增强少子漂移少子漂移>>多子扩散多子扩散少子漂移形成少子漂移形成微小微小的的反向电流反向电流 ISPN 结接近截止结接近截止IRIS 与与 V 近似无关。

近似无关温度温度 T  电流电流 IS结论：结论：PN 结具有单方向导电特性结具有单方向导电特性第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路阻挡层变宽阻挡层变宽少子被电源吸收和补充少子被电源吸收和补充39■Ø PN 结结——伏安特性方程式（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：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： 热电压热电压   26 mV( (室温室温) )其中：其中：　　　　IS 为为反反向向饱饱和和电电流流，，其其值值与与外外加加电电压压近近似似无无关关，，但但受温度影响很大受温度影响很大正偏时：正偏时： 反偏时：反偏时： 第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路））40■Ø PN 结结——伏安特性曲线（伏安特性曲线（））第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路ID(mA)V(V)VD(on)- -ISSiGeVD(on)= 0.7VIS=(10-9~10-16)A硅硅PNPN结结VD(on)= 0.25V锗锗PNPN结结IS=(10-6~10-8)AV > >VD(on)时时 随着随着V   正向正向R R很小很小 I  PNPN结导通；结导通；V < VD(on)时时 IR很小很小( (IR  -IS) 反向反向R R很大很大 PNPN结结截止截止。

温度每升高温度每升高10℃10℃，，I IS S约增加一倍约增加一倍 温度每升高温度每升高1℃1℃，， VD(on)约减小约减小2.52.5mV 41■|vj|  = V(BR)时，时，  |ij|急剧急剧 ，， PN 结反向击穿结反向击穿 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 PN 结掺杂浓度较低结掺杂浓度较低( (l0 较宽较宽) )发生条件：发生条件：形成原因：形成原因： 外加反向电压较大外加反向电压较大( (> 6 V) ) 时，时，载流子动能增大形成载流子动能增大形成碰撞电离碰撞电离V(BR)ijvj 形成原因：形成原因： 外外加加反反向向电电压压较较小小( (< 6 V) )，，就能导致价电子就能导致价电子场致激发场致激发 发生条件：发生条件： PN 结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高( (l0 较窄较窄) )0Ø PN 结的击穿特性（结的击穿特性（第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路））42■T    V(BR) § 雪崩击穿电压具有正温度系数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。

齐纳击穿电压具有负温度系数 T    V(BR) 2 PN2 PN结的热击穿现象结的热击穿现象 热击穿热击穿是指是指PN结功率耗损过大，结温升高，半导体结功率耗损过大，结温升高，半导体激发加强，导致激发加强，导致PN结功耗进一步增大的恶性循环循环结功耗进一步增大的恶性循环循环的最终结果，必将导致的最终结果，必将导致PN结的晶体结构遭到破坏，半导结的晶体结构遭到破坏，半导体材料被烧毁，体材料被烧毁，PN结的导电特性不复存在的开路状态结的导电特性不复存在的开路状态第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路　　　　击击穿穿并并不不意意味味管管子子损损坏坏，，若若控控制制击击穿穿电电流流，，电电压压降降低后，还可恢复正常低后，还可恢复正常43■3 PN 结的电容特性结的电容特性　　当　　当 PN 结上的电压发生变化时，结上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷结中储存的电荷量将随之发生变化，使二极管具有电容效应量将随之发生变化，使二极管具有电容效应 -VRI+UPN结电容效应包括两部分结电容效应包括两部分势垒电容势垒电容 CT 扩散电容扩散电容 CD44■( (a) ) PN 结加结加正向电压正向电压（（b) ) PN 结加结加反向电压反向电压- -N空间空间电荷区电荷区PERI+VN空间空间电荷区电荷区PRI+- -VE　　　　空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，，如如同同电电容容的的放电和充电过程。

放电和充电过程是是PN结内净电荷量随外加电压变化产生的电容效应结内净电荷量随外加电压变化产生的电容效应 q 势垒电容势垒电容 CT 45■　　　　由由于于 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 V 而而变变化化，，因因此此势势垒垒电容电容 CT 不是一个常数不是一个常数其曲线如图示其曲线如图示CT(0)CTV046■q 扩散电容扩散电容 CD  Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的　　　　在在某某个个正正向向电电压压下下，，P 区区中中的的电电子子浓浓度度 np( (或或 N 区区的的空穴浓度空穴浓度 pn) )分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示x = 0 处处为为 P 与与 N 区的交界处区的交界处　　　　当当电电压压加加大大，，np ( (或或 pn) )会会升升高高，，如如曲线曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之浓度会降低) )OxnPQ12 Q　　　　当当加加反反向向电电压压时时，，扩扩散散运运动动被被削削弱弱，，扩散电容的作用可忽略扩散电容的作用可忽略 Q　　　　正正向向电电压压时时，，变变化化载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生变变化化，，相相当当于于电电容容器器充充电电和和放放电电的过程的过程 —— 扩散电容效应。

扩散电容效应47■xn少子浓度少子浓度x0- -xpP+N：为载流子的渡越时间：为载流子的渡越时间48■Ø PN 结电容结电容§ PN 结反偏时，结反偏时，CT >> CD ，则，则 Cj   CT PN 结总电容：结总电容： Cj = CT + CD§ PN 结正偏时，结正偏时，CD >> CT ，则，则 Cj ≈ CD故：故：PN 结正偏时，以结正偏时，以 CD 为主 故：故：PN 结结反偏时，以反偏时，以 CT 为主通常：通常：CD   几十几十 pF ~ 几千几千 pF通常：通常：CT   几几 pF ~ 几十几十 pF第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路49■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路1.2.3 四种常见二极管导电情况四种常见二极管导电情况 本书所指的四种常见半导体二极管是本书所指的四种常见半导体二极管是普通二极管普通二极管、、稳稳压二极管压二极管、、发光二极管发光二极管和和光电二极管光电二极管 其中，其中，稳压二极管稳压二极管、、发光二极管发光二极管和和光电二极管光电二极管也称为特也称为特殊二极管。

殊二极管 根据前面的讨论的半导体二极管的结构，可以认为二根据前面的讨论的半导体二极管的结构，可以认为二极管是由极管是由P型半导体、型半导体、PN结和结和N型半导体串联构成型半导体串联构成 PN正极正极负极负极 其中其中P型和型和N型半导体为单一类型半导体，存在体电阻型半导体为单一类型半导体，存在体电阻其阻值取决于半导体温度和其阻值取决于半导体温度和PN结以外的几何尺寸结以外的几何尺寸 50■51■§ 结构：结构：“PN 结结+单一半导体单一半导体”构成构成§ 特性：特性： PN结电阻特性结电阻特性+体电阻体电阻RS第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路1 普通二极管的特性普通二极管的特性§ 特点：特点： 普通二极管是为利用普通二极管是为利用PN结单向导电性而专门结单向导电性而专门 制造的二极管制造的二极管n 发射系数，也称为非理想发射系数，也称为非理想化因子，其值在化因子，其值在1到到2之间之间52■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路普通二极管的电阻特性普通二极管的电阻特性 （（1）反向特性。

反向特性 二极管的反向电流主要由二极管的反向电流主要由PN结的反向饱和电流结的反向饱和电流IS决决定硅管的硅管的 为为nA数量级，锗管的数量级，锗管的 为为 A数量级数量级 （（2））正正向特性 电流较小时，电流较小时，二极管的伏安特性二极管的伏安特性更接近指数特性；更接近指数特性； 电流较大电流较大时，二极时，二极管的伏安特性更接近直线特性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电流有明显数值时对应的外加正向电压向电压 称为称为门坎电压门坎电压，记为，记为Vth硅二极管约为极管约为0.5V，锗二极管，锗二极管 约为约为0.1VVthSi53■普通二极管参数普通二极管参数①① 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流②② 最高反向工作电压最高反向工作电压 U(BR)　　　　工工作作时时允允许许加加在在二二极极管管两两端端的的反反向向电电压压值值通通常常将将是击穿电压是击穿电压 的一半③③ 反向饱和电流反向饱和电流 IS通常希望通常希望 IS 值愈小愈好。

它受温度的影响值愈小愈好它受温度的影响二极管分类二极管分类54■点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大55■§ 利用利用 PN 结的反向击穿特性专门结的反向击穿特性专门制成的二极管制成的二极管§ 正常应用区域要求：正常应用区域要求： - -IZmin< - -iD < - -IZmax- -VZiD- -IZmin- -IZmax+- -VZ Z0vD第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路2 稳压二极管稳压二极管VDZR图：稳压管电路图：稳压管电路voio+iDiv+RL56■ 　　　　1. 外外加加电电源源的的正正极极接接管管子子的的 N 区区，，电电源源的的负负极极接接 P 区区，保证管子工作在反向击穿区；，保证管子工作在反向击穿区；　　　　2. 稳压管稳压管应应与与负载电阻负载电阻 RL 并联并联；；　　　　3. 必必须须限限制制流流过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ，，不不能能超超过过规规定定值值，，以免因过热而烧毁管子。

以免因过热而烧毁管子使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：限流电阻限流电阻R：：保证稳压管工作在保证稳压管工作在Izmin~ Izmax之间之间57■§ 光电二极管属于光生伏特效应器件中与半导体有关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的两端元件第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路3 光电二极管光电二极管58■§将将PN结上的能耗有效地转换成光强发射出来结上的能耗有效地转换成光强发射出来的特种二的特种二极管极管§ 发光二极管流过电流时将发出光来，用不同材料制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成的发光二极管会发出不同颜色（波长）的光不同颜色（波长）的光§发光二极管应采用发光二极管应采用透光材料进行封装透光材料进行封装发光二极管常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用于显示信息的电视屏、电气设备中的电源指示灯第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路4 发光二极管发光二极管59■1.3　半导体非线性电路的分析基础　半导体非线性电路的分析基础　　　　分分为为：：低低频频电电阻阻特特性性分分析析，，高高频频特特性性分分析析；；后后者分析需采用仿真工具来完成。

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§ 灵活选择元器件灵活选择元器件模型和模型模型和模型表达方式，表达方式，可以可以简化简化分析分析的复杂度的复杂度第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路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等效模型60■1.3.1　电阻特性分析初　电阻特性分析初步与工程分析概念步与工程分析概念第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路1 电路模型与理性二极管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按近似精度递减给出普通二极管常见的直折线近似等直折线近似等效模型效模型曲线如下曲线如下 直折线模型（直折线模型（1）） 直折线模型（直折线模型（2）） 直折线模型（直折线模型（3）） 注：直折线近似等效模型（注：直折线近似等效模型（3）也称）也称理想二极管模型理想二极管模型。

61■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路ivVD0ivVD(on)iv0 对应电路模型对应电路模型如下如下 直折线模型（直折线模型（1）） 直折线模型（直折线模型（2）） 直折线模型（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对应导通，即有电流时的表达式如下如下62■Ø特定工作点特定工作点Q Q条件下的条件下的小信号电小信号电路模型路模型rsrjivQrs：：P区和区和N区的体电阻，数值很小区的体电阻，数值很小 rj：为：为PN结的增量结电阻结的增量结电阻 第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路63■注意：注意：高频电路中，需考虑高频电路中，需考虑 Cj 影响因高频工作时，影响因高频工作时，　　　　　　Cj 容抗很小，容抗很小，PN 结单向导电性会因结单向导电性会因 Cj 的交流的交流　　　旁路作用而变差　　　旁路作用而变差第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路2 二极管高频模型二极管高频模型64■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路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（二极管的计算机仿真模型（SPICE））表表1-3-1SPICE二极管模型的主要参数表二极管模型的主要参数表65■　　　　一一般般来来说说，，往往往往会会根根据据实实际际的的需需求求来来选选用用元元器器件件模模型型。

其其中中，，简简单单模模型型有有利利于于工工程程上上近近似似快快速速分分析析，，也也适适用用于于手手工工计计算算的的需需要要；；复复杂杂模模型型则则比比较较适适合合计计算算机机分分析析，，也也方方便便进进行行数数值值分分析析对对比比，，以以利利于于电电路路的的最最终终工工程程实实现现和优化§ 确定信息类型和表述特点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　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．数字信息处理与二极管的开关运用分析步骤：分析步骤：§ 选定元器件模型选定元器件模型§ 确定分析手段确定分析手段第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路66■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路已知：已知：表表1-3-2图图1-3-6对应的电位情况与相应信息对应的电位情况与相应信息 对应信息表述ABC000011101111§ 代代表表信信息息1、、0的的电电位位可可以以采采用用有有一一定定误误差差的的高高、、低低电电位位来表述，即二极管可以采用来表述，即二极管可以采用直折线模型直折线模型2。

67■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路结果：结果：表表1-3-2图图1-3-6对应的电位情况与相应信息对应的电位情况与相应信息 § 代代表表信信息息1的的电电位位在在4.4V～～5V左左右右；；代代表表信信息息0的的电电位位在在0V左左右右，，即即选选用用的的元元器器件件模模型型没没有有影影响响信信息息的的表表述述，，能说明问题能说明问题直折线模型计算000054.4504.4554.4abVD(on)D+- -68■2．．电位平移电路目标电位平移电路目标与二极管运用与二极管运用确定电路：确定电路：§ 输入与输出相差一直流电压输入与输出相差一直流电压§ 可依据二极管的直折线模型可依据二极管的直折线模型2----完成电路完成电路第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路已知：已知：69■简单分析：简单分析：§ 依据二极管的直折线模型依据二极管的直折线模型2第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路电路：电路：70■§ 依据依据高等数学的泰勒级数高等数学的泰勒级数，即，即第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路精确分析：精确分析：其中，其中，只与输入直流有关，可由下图来计算只与输入直流有关，可由下图来计算近似分析：近似分析：71■第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路其中，其中，是在直流基础上，因输入交是在直流基础上，因输入交近似分析：近似分析：交流变化引起的。

可由二极管交流变化引起的可由二极管特定区域小信号模型特定区域小信号模型来计算最终结果：最终结果：72■1.4　　半导体半导体非线性电路的近似分析与电路系非线性电路的近似分析与电路系统设计的关系统设计的关系1 根据系统数学要求根据系统数学要求----构造电路模块结构构造电路模块结构----进行系统仿真进行系统仿真 上述步骤应反复进行，已完成低成本、高质量的上述步骤应反复进行，已完成低成本、高质量的电路设计，其中仿真工具的使用是必需的电路设计，其中仿真工具的使用是必需的第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路2 考虑各电路模块误差对系统结构影响考虑各电路模块误差对系统结构影响----进行行为级仿真进行行为级仿真3 完成各电路模块的具体电路构造完成各电路模块的具体电路构造----进行电路级仿真进行电路级仿真4 对电路板布线对电路板布线----进行进行PCB版仿真设计版仿真设计73■1.5　低频电子电路的学习　低频电子电路的学习1分析方法的选取往往与电路目标和分析误差要求有直分析方法的选取往往与电路目标和分析误差要求有直 接的关系，同时单元电路的技术分析又涉及信号与系接的关系，同时单元电路的技术分析又涉及信号与系 统等课程的内容。

统等课程的内容第第 1 章　章　半导体基础元件与非线性电路半导体基础元件与非线性电路2注意掌握各种功能电路的基本原理及分析方法，注重注意掌握各种功能电路的基本原理及分析方法，注重 养成工程现实和理想相结合的观察问题习惯以便理养成工程现实和理想相结合的观察问题习惯以便理 解各种实用的电路构成方法和原则，以及电路的组合解各种实用的电路构成方法和原则，以及电路的组合 和繁衍改进过程和繁衍改进过程3注意培养自己以系统的观点来理解功能单元电路的构注意培养自己以系统的观点来理解功能单元电路的构 成，以及元器件与系统需求之间的关系，从而初步建成，以及元器件与系统需求之间的关系，从而初步建 立用系统的观点来思考问题、解决问题的基本技巧和立用系统的观点来思考问题、解决问题的基本技巧和 思路。