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1、1,低频电子电路,-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,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,2,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,3,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1层 单一类型半导体材料-半导体的电阻性质,4,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,5,第 1 章半导体基础元件与非
2、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,6,三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,7,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,8,1.导体：电阻率 10-4 cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。,2.绝缘体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。,3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。,半导体导电性能是由其原子结构决定的。,1.1 单一类型半导体的导电性能,9,
3、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,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,半导体分类,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,10,1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：,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,11,本征半导体,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为
4、共价键结构。,图 单晶体中的共价键结构,当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,12,图 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,13,激发（本征激发）,这种现象称,结论：空穴：价电子层的电子空位；自由电子：远离价电子层的电子（受原子核作用小）。,激发；,反之，称为复合。,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,14,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
5、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。,空穴的运动,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,15,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,2 硅和锗晶体中电子活动的能带分析法,16,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
6、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,17,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：,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,18,1.半导体中两种载流子,2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子-空穴对。,3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni=pi。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓
7、度就一定了。,5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,总结,19,半导体的电导率,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。,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,由于本征半导体的载流子自由电子空穴的数目会受到温度和光照的影响。所以本征半导体的阻值也会受到温度和光照的影响。,20,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：,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,21,1.1.2杂质半导体的结构,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半
8、导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半体，也称为（电子半导体）。,22,第 1 章晶体二极管,N型半导体：,简化模型：,本征半导体中掺入少量五价元素磷（或锑）构成。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。,磷原子给出一个电子，称为施主杂质。,23,P 型半导体,简化模型：,第 1 章晶体二极管,硼原子给出一个电子，称为受主杂质。,本征半导体中掺入少量三价元素硼（或铟）构成。,24,综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的
9、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，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。,杂质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。,杂质半导体总体上保持电中性。,25,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),第 1 章晶体二极管,26,晶体二极管结构及电路符号：,PN 结正偏(P 接+、N 接-)，D 导通。,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,
10、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。,27,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,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,28,PN结,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。,N型,PN结,29,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。,30,2.扩散运动形成空间电荷区,PN 结，耗尽层。
11、,耗尽层,31,3.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。,空间电荷区正负离子之间电位差 VB0 电位壁垒。,32,4.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,33,5.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。,34,阻止多子扩散,利于少子漂移,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,35,PN 结的载流子分布,第 1 章半导体基础元件与
12、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,36,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,37,1.2.2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,VD(on),38,1.2.2有电压时PN 结的导电能力,1 PN 结的电阻特性
13、,I,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,PN 结导电原理,39,IR,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,40,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：,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,）,41,PN 结伏安特性曲线（,）,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,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。,42,0,PN 结的击穿特性（,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,）,43,T
14、 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。,T V(BR),2 PN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,击穿并不意味管子损坏，若控制击穿电流，电压降低后，还可恢复正常。,44,3 PN 结的电容特性,当 PN 结上的电压发生变化时，PN 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。,PN结电容效应包括两部分,势垒电容 CT,扩散电容 CD,4
15、5,(a)PN 结加正向电压,（b)PN 结加反向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,是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,46,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 V 而变化，因此势垒电容 CT 不是一个常数。其曲线如图示。,47,扩散电容 CD,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x=0 处为 P 与 N 区的交界处,当电压加大，np(或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱
16、，扩散电容的作用可忽略。,正向电压时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。,48,xn,少子浓度,x,0,-xp,P+,N,：为载流子的渡越时间,49,PN 结电容,PN 结反偏时，CT CD，则 Cj CT,PN 结总电容：Cj=CT+CD,PN 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,50,第 1 章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,本书所
17、指的四种常见半导体二极管是普通二极管、稳压二极管、发光二极管和光电二极管。其中，稳压二极管、发光二极管和光电二极管也称为特殊二极管。根据前面的讨论的半导体二极管的结构，可以认为二极管是由P型半导体、PN结和N型半导体串联构成。,其中P型和N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PN结以外的几何尺寸。,51,52,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。,n 发射系数，也称为非理想化因子，其值在1到2之间,53,第 1 章
18、半导体基础元件与非线性电路,普通二极管的电阻特性,（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。,54,普通二极管参数,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。,最高反向工作电压 U(BR),工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将是击穿电压 的一半。,反向饱和电流 IS,通常希望 IS 值
19、愈小愈好。它受温度的影响。,二极管分类,55,点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高,面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低,平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大,56,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,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,2 稳压二极管,57,1.外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,2.稳压管应与负载电阻 RL 并联；,3.必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,使用稳压管需
20、要注意的几个问题：,限流电阻R：保证稳压管工作在Izmin Izmax之间,58,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,59,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,60,1.3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。,
21、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。,61,1.3.1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,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。,62,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,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）,对应导通，即有电
22、流时的表达式如下,63,特定工作点Q条件下的小信号电路模型,rs：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,64,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,65,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1-3-1SPICE二极管模型的主要参数表,66,一般来说，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
23、；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,67,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,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。,68,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4.4V5V左右；代表
24、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。,69,2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：,70,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：,71,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,精确分析：,其中，,只与输入直流有关，可由下图来计算,近似分析：,72,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,其中，,是在直流基础上，因输入交,近似分析：,交流变化引起的。可由二极管特定区域小信号模型来
25、计算。,最终结果：,73,1.4半导体非线性电路的近似分析与电路系统设计的关系,1 根据系统数学要求-构造电路模块结构-进行系统仿真,上述步骤应反复进行，已完成低成本、高质量的电路设计，其中仿真工具的使用是必需的。,第 1 章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-进行行为级仿真,3 完成各电路模块的具体电路构造-进行电路级仿真,4 对电路板布线-进行PCB版仿真设计,74,1.5低频电子电路的学习,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 统等课程的内容。,第 1 章半导体基础元件与非线性电路,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 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。,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 立用系统的观点来思考问题、解决问题的基本技巧和 思路。,
