13低頻電子電路第一章

1、 第一章第一章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件 與非線性電路與非線性電路 1.1單一類型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能單一類型半導(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)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)系與電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系 低頻電子電路低頻電子電路 概概 述述 三層次的半導(dǎo)體元器件三層次的半導(dǎo)體元器件 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 第第1層層 單一類型半導(dǎo)體材料單一類型半導(dǎo)體材料 -半導(dǎo)體的電阻性質(zhì)

2、半導(dǎo)體的電阻性質(zhì) N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 三層次的半導(dǎo)體元器件三層次的半導(dǎo)體元器件 第第2層層 多類型半導(dǎo)體材料的不同簡單組合多類型半導(dǎo)體材料的不同簡單組合 -非線性非線性導(dǎo)體性質(zhì)導(dǎo)體性質(zhì) PN 正極正極負(fù)極負(fù)極 NPP + P + P + N 三層次的半導(dǎo)體元器件三層次的半導(dǎo)體元器件 第第3層層 多類型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合多類型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合 -半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的信號處理功能信號處理功能 第第3層層 多類型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合多類型半導(dǎo)體材料的復(fù)雜組合 -半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的信號處理功能信號處理功能 1. 導(dǎo)體：導(dǎo)體：電阻率電阻率 109 cm 物質(zhì)。如橡膠、塑料等。物質(zhì)。如橡膠、塑料等。 3.

3、 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的 主要材料是硅主要材料是硅( (Si) )和鍺和鍺( (Ge) )。 半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。 1.11.1 單一類型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能單一類型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能 無雜質(zhì)的無雜質(zhì)的-本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 物資結(jié)構(gòu)：物資結(jié)構(gòu)：原子按有序排列的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成原子按有序排列的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成 導(dǎo)電原理分析方法導(dǎo)電原理分析方法：共價鍵方法，能帶理論方法：共價鍵方法，能帶理論方法 半導(dǎo)體分類半導(dǎo)體分類 雜質(zhì)半導(dǎo)體（雜質(zhì)半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)

4、體、型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體) ) （1）共價鍵方法）共價鍵方法-原子間結(jié)構(gòu)，外層電子軌道位置原子間結(jié)構(gòu)，外層電子軌道位置 （2）能帶理論方法）能帶理論方法-半導(dǎo)體內(nèi)電子流動能力分析半導(dǎo)體內(nèi)電子流動能力分析 1硅和鍺晶體的共價鍵分析法硅和鍺晶體的共價鍵分析法 硅硅( (Si) )、鍺、鍺( (Ge) )原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：原子結(jié)構(gòu)及簡化模型： +14284 +3228418 +4 價電子價電子 慣性核慣性核 1.1.1本征半導(dǎo)體的伏安特性本征半導(dǎo)體的伏安特性 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 +4 +4 +4+4+4 +4 +4 +4 +4 完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體

5、。完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 將硅或鍺材料提純便將硅或鍺材料提純便 形成單晶體，它的原子結(jié)形成單晶體，它的原子結(jié) 構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。 圖圖 單晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)單晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu) 共共 價價 鍵鍵 價價 電電 子子 當(dāng)溫度當(dāng)溫度 T = 0 K 時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電， 如同絕緣體。如同絕緣體。 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 圖圖 本征半導(dǎo)體中的本征半導(dǎo)體中的 自由電子和空穴自由電子和空穴 自由電子自由電子 空穴空穴 若若 T ，將有少數(shù)價電子克服共價，將有少數(shù)價電子克服共價 鍵的束縛成為鍵的束縛成為自由電子自由

6、電子，在原來的共價，在原來的共價 鍵中留下一個空位鍵中留下一個空位空穴。空穴。 T 自由電子自由電子和和空穴空穴使使本征半導(dǎo)體具有本征半導(dǎo)體具有 導(dǎo)電能力，但很微弱。導(dǎo)電能力，但很微弱。 空穴可看成帶正電的載流子?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。 激發(fā) 激發(fā)（本征激發(fā)）（本征激發(fā)） q 當(dāng) 當(dāng) T 升高或光線照射時升高或光線照射時 產(chǎn)生產(chǎn)生自由電子空穴對自由電子空穴對。 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱 結(jié)論：空穴：結(jié)論：空穴：價電子層的電子空位；價電子層的電子空位；自由電子自由電子：遠(yuǎn)離價電子層的電子（受原子核作用：遠(yuǎn)離價電子層的電子（受原子核作用 ?。?。?。?激發(fā)；激發(fā)； +4 +4 +4 +4 +4 反

7、之，稱為反之，稱為復(fù)合復(fù)合。 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 當(dāng)原子中的價電子層失去電子時，原子的慣性核帶正電，可將其視為空位或當(dāng)原子中的價電子層失去電子時，原子的慣性核帶正電，可將其視為空位或空空 穴，穴，帶正電。帶正電。 通常，將原子間價電子軌道層面的電子運(yùn)動稱為通常，將原子間價電子軌道層面的電子運(yùn)動稱為空穴運(yùn)動空穴運(yùn)動。 注意：注意：空穴運(yùn)動方向與價電子運(yùn)動的方向相反。空穴運(yùn)動方向與價電子運(yùn)動的方向相反。 空穴的運(yùn)動 空穴的運(yùn)動 另外，將自由電子軌道層面的電子運(yùn)動稱為另外，將自由電子軌道層面的電子運(yùn)動稱為自由電子的運(yùn)動自由電子的運(yùn)動，簡稱為，簡稱為電子

8、運(yùn)動電子運(yùn)動。 在半導(dǎo)體整體平臺中，電子運(yùn)行軌道可以采用對應(yīng)的電子能量來表示，因此，有了物質(zhì)的電在半導(dǎo)體整體平臺中，電子運(yùn)行軌道可以采用對應(yīng)的電子能量來表示，因此，有了物質(zhì)的電 子軌道的子軌道的能級圖能級圖和和能帶圖能帶圖。 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 2 硅和鍺晶體中電子活動的能帶分析法硅和鍺晶體中電子活動的能帶分析法 電子在同一能帶中不同能級間的運(yùn)動變遷較為容易；跨能帶的運(yùn)動變遷必需通電子在同一能帶中不同能級間的運(yùn)動變遷較為容易；跨能帶的運(yùn)動變遷必需通 過能量的較大吸收或釋放，即由此跨越禁帶來實(shí)現(xiàn)。過能量的較大吸收或釋放，即由此跨越禁帶來實(shí)現(xiàn)。 從價

9、帶到導(dǎo)帶的電子軌道變遷，與前述的從價帶到導(dǎo)帶的電子軌道變遷，與前述的激發(fā)激發(fā)運(yùn)動對應(yīng)；從導(dǎo)帶到價帶的電子軌運(yùn)動對應(yīng)；從導(dǎo)帶到價帶的電子軌 道變遷，與前述的道變遷，與前述的復(fù)合復(fù)合運(yùn)動對應(yīng)。運(yùn)動對應(yīng)。 結(jié)論： 結(jié)論： 電子在導(dǎo)帶內(nèi)部的電子軌道變遷，與前述的電子在導(dǎo)帶內(nèi)部的電子軌道變遷，與前述的電子運(yùn)動電子運(yùn)動對應(yīng)；電子在價帶內(nèi)部的電對應(yīng)；電子在價帶內(nèi)部的電 子軌道變遷，與前述的子軌道變遷，與前述的空穴運(yùn)動空穴運(yùn)動對應(yīng)。對應(yīng)。 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 溫度一定時：溫度一定時： 激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動態(tài)平衡。動態(tài)平衡

10、。 v 熱平衡載流子濃度 熱平衡載流子濃度 熱平衡載流子濃度：熱平衡載流子濃度： 本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中 本征激發(fā)本征激發(fā)產(chǎn)生產(chǎn)生自由電子空穴對。自由電子空穴對。 電子和空穴相遇釋放能量電子和空穴相遇釋放能量復(fù)合。復(fù)合。 i 2 3 i 2 0 epATn kT g E - T導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力 ni 或光照或光照 熱敏特性熱敏特性 光敏特性光敏特性 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 1. 半導(dǎo)體中兩種載流子半導(dǎo)體中兩種載流子 帶負(fù)電的帶負(fù)電的自由電子自由電子 帶正電的帶正電的空穴空穴 2. 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為本征半導(dǎo)體中，自由電子

11、和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為 電子電子 - 空穴對。空穴對。 3. 本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中自由電子自由電子和和空穴空穴的濃度的濃度用用 ni 和和 pi 表示，顯然表示，顯然 ni = pi 。 4. 由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，在一定的溫度下， 產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。 5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。 總結(jié) 總結(jié) 半導(dǎo)體的

12、電導(dǎo)率 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 + - - V 長度長度 l 截面積截面積 S 電場電場 E I S l SJ El I V R t 本征半導(dǎo)體的電壓電流關(guān)系可由等效的電阻本征半導(dǎo)體的電壓電流關(guān)系可由等效的電阻 元件來代替。元件來代替。 由于由于本征半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體的載流子載流子自由電子自由電子空穴的數(shù)目空穴的數(shù)目會受到溫度和光照的影響。會受到溫度和光照的影響。所以所以本本 征半導(dǎo)體的阻值征半導(dǎo)體的阻值也也會受到溫度和光照的影響。會受到溫度和光照的影響。 漂移與漂移電流 漂移與漂移電流 載流子在電場作用下的運(yùn)動稱載流子在電場作用下的運(yùn)動稱漂移運(yùn)動，漂移運(yùn)動，由此由此形成的電流稱形成的電流稱漂移電流。

13、漂移電流。 漂移電流密度漂移電流密度 EqpJ ppt EnqJ nnt )(- 總漂移電流密度：總漂移電流密度： )( nPntptt npEqJJJ 遷移率遷移率 1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 在本征半導(dǎo)體中摻入某些在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變 化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。 P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）?？昭舛却蟠笤黾拥碾s質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。 N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：自

14、由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半體，自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半體， 也稱為（電子半導(dǎo)體）。也稱為（電子半導(dǎo)體）。 v N N型半導(dǎo)體： 型半導(dǎo)體： +4 +4 +5 +4 +4 簡化模型：簡化模型： 自由電子自由電子 本征半導(dǎo)體中摻入少量本征半導(dǎo)體中摻入少量五價五價元素磷（或銻）構(gòu)成。元素磷（或銻）構(gòu)成。 自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即 n p 。電子稱為多數(shù)載流子電子稱為多數(shù)載流子( (簡稱多子簡稱多子) )，空空 穴稱為少數(shù)載流子穴稱為少數(shù)載流子( (簡稱少子簡稱少子) )。 磷原子給出一個電子，稱為磷原子給出一個電子，稱為 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。 v P 型半導(dǎo)

15、體 型半導(dǎo)體 +4 +4 +3 +4 +4 簡化模型：簡化模型： P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 少子少子自由電子（靠少量激發(fā)產(chǎn)生）自由電子（靠少量激發(fā)產(chǎn)生） 多子多子空穴（靠雜質(zhì)和激發(fā)）空穴（靠雜質(zhì)和激發(fā)） 空空 穴穴 硼硼原子給出一個電子，稱為原子給出一個電子，稱為受受 主雜質(zhì)主雜質(zhì)。 本征半導(dǎo)體中摻入少量本征半導(dǎo)體中摻入少量三價三價元素硼（或銦）構(gòu)成。元素硼（或銦）構(gòu)成。 綜上所述，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，因?yàn)閰㈦s，載流子的數(shù)量比本征半導(dǎo)體有相當(dāng)綜上所述，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，因?yàn)閰㈦s，載流子的數(shù)量比本征半導(dǎo)體有相當(dāng) 程度的增加，盡管參雜的含量很小，但對半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響卻很大，使之成為程度的增加，盡管參雜的

16、含量很小，但對半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力影響卻很大，使之成為 提高半導(dǎo)體導(dǎo)電性能最有效的方法。提高半導(dǎo)體導(dǎo)電性能最有效的方法。 雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電 作用的主要是多子作用的主要是多子。 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 注：注： N N型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度；型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度； P P型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度型半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度 雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算 雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 2 in0n0 npn ( (質(zhì)量作用定理質(zhì)量作用定理) ) dn0dn0 NpNn

17、( (電中性方程電中性方程) ) P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 2 ip0p0 nnp ap0ap0 NnNp 雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性 少子濃度取決于溫度的激發(fā)。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。多子濃度主要取決于摻雜濃度。 第第 1 章晶體二極管章晶體二極管 d N a N 晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號： PN 結(jié)正偏結(jié)正偏( (P 接接 +、N 接接 -)-)，D 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 PN 正極正極負(fù)極負(fù)極 晶體二極管的主要特性：晶體二極管的主要特性：單方向?qū)щ娞匦詥畏较驅(qū)щ娞匦?PN 結(jié)反偏結(jié)反偏( (N 接接 +、P 接接 -)-)，D 截止

18、。截止。 即即 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 1.21.2 半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)電性能半導(dǎo)體二極管的導(dǎo)電性能 利用摻雜工藝，把利用摻雜工藝，把 P 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體在原子級上仍按晶體延續(xù)方式結(jié)合在一型半導(dǎo)體在原子級上仍按晶體延續(xù)方式結(jié)合在一 起。起。 載流子在濃度差作用下的運(yùn)動稱載流子在濃度差作用下的運(yùn)動稱擴(kuò)散運(yùn)動，擴(kuò)散運(yùn)動，所形成的電流稱所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流。 擴(kuò)散電流密度：擴(kuò)散電流密度： x xp qDJ d )(d ppd - - x xn DqJ d )(d )( nnd - - - 擴(kuò)散與擴(kuò)散電流 擴(kuò)散與擴(kuò)散電流 N 型

19、型 硅硅 光照光照 n(x) p(x) 載流子濃度載流子濃度 x n0 p0 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 1.2.1無電壓時無電壓時PN結(jié)的載流子分布與交換結(jié)的載流子分布與交換 PN結(jié) 結(jié) 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 利用摻雜工藝，把利用摻雜工藝，把P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體在原子級上緊密結(jié)合，型半導(dǎo)體在原子級上緊密結(jié)合，P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)的交界區(qū)的交界 面就形成了面就形成了PNPN結(jié)。結(jié)。 摻雜摻雜 N型型P型型 PN結(jié)結(jié) PN結(jié)中載流子的運(yùn)動 結(jié)中載流子的運(yùn)動 1. 擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動 電子和空

20、穴濃度差形成電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。 N型型P型型 2. 擴(kuò)散運(yùn)動形成空間電荷區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動形成空間電荷區(qū) PN 結(jié)，耗盡層。結(jié)，耗盡層。 N型型P型型 空間電空間電 荷區(qū)荷區(qū) 耗盡層耗盡層 3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生電場空間電荷區(qū)產(chǎn)生電場 內(nèi)電場內(nèi)電場 內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層。阻擋層。 N型型P型型 阻擋層阻擋層 內(nèi)電場內(nèi)電場 VB0 空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 VB0 電位壁壘電位壁壘。 4. 漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動漂移。漂移。 少子的運(yùn)動與多子運(yùn)動方向相反少子的運(yùn)動與多

21、子運(yùn)動方向相反 N型型P型型 阻擋層阻擋層 內(nèi)電場內(nèi)電場 VB0 5. 擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡 擴(kuò)散運(yùn)動使空間電荷區(qū)增大，內(nèi)電場則逐漸增強(qiáng)。擴(kuò)散運(yùn)動使空間電荷區(qū)增大，內(nèi)電場則逐漸增強(qiáng)。 隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，擴(kuò)散電流逐漸減??；漂移運(yùn)動逐漸增加。隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，擴(kuò)散電流逐漸減??；漂移運(yùn)動逐漸增加。 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時，當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時，PN結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到 穩(wěn)定。即穩(wěn)定。即擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。 阻止多子擴(kuò)散阻止多子擴(kuò)散 出現(xiàn)內(nèi)建電場出現(xiàn)內(nèi)建電場 開始因濃度差開

22、始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散引起多子擴(kuò)散 利于少子漂移利于少子漂移 最終達(dá)動態(tài)平衡最終達(dá)動態(tài)平衡 注意：注意： PN 結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過 PN 結(jié)的電流為結(jié)的電流為 零。零。 PN 結(jié)形成的物理過程 結(jié)形成的物理過程 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 PN 結(jié)的載流子分布 結(jié)的載流子分布 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 穿越能力 穿越能力 載流子擴(kuò)散載流子擴(kuò)散漂移漂移-動態(tài)平衡動態(tài)平衡-載流子分載流子分 布見圖（布見圖（c）

23、載流子擴(kuò)散導(dǎo)致同層電子軌道存在電位差載流子擴(kuò)散導(dǎo)致同層電子軌道存在電位差 （內(nèi)建電位差內(nèi)建電位差），即載流子穿越存在），即載流子穿越存在能級差異能級差異， 見圖（見圖（b） PN結(jié)的物理空間稱為結(jié)的物理空間稱為耗盡層耗盡層 PN結(jié)的物理空間稱為結(jié)的物理空間稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，或，或 勢壘區(qū)勢壘區(qū) 內(nèi)建電位差（電量描 內(nèi)建電位差（電量描 述）：述）： 2 i n0p0 TB0 ln n np VV 室溫時室溫時 鍺管鍺管 VB0 0.2 0.3 V 硅管硅管 VB0 0.5 0.7 V 空間電荷區(qū)寬度（物理空 空間電荷區(qū)寬度（物理空 間描述）：間描述）： 2 1 da da B0 ) 2

24、( NN NN V q l 注意：注意：摻雜濃度摻雜濃度( (Na、Nd) )越大，內(nèi)建電位差越大，內(nèi)建電位差 VB越大，阻越大，阻 擋層寬度擋層寬度 l0 越小。越小。 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 1.2.2有電壓時有電壓時PN 結(jié)的導(dǎo)電能力結(jié)的導(dǎo)電能力 PN 結(jié)的電阻特性 結(jié)的電阻特性 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 VD(on) 反向擊反向擊 穿電壓穿電壓 導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓 1.2.2有電壓時有電壓時PN 結(jié)的導(dǎo)電能力結(jié)的導(dǎo)電能力 1 PN 結(jié)的電阻特性結(jié)的電阻特性 P+N 內(nèi)建電場內(nèi)建電場 E l0 + -+

25、- V PN 結(jié)結(jié)正偏正偏 空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄 空間電荷區(qū)內(nèi)電場減弱空間電荷區(qū)內(nèi)電場減弱 多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 少子漂移少子漂移 擴(kuò)散形成擴(kuò)散形成較大較大的電流的電流 PN 結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通 I 電壓電壓 V 電流電流 I 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 PN 結(jié) 結(jié)導(dǎo)電原理導(dǎo)電原理 擴(kuò)散電荷被電源吸收和補(bǔ)充擴(kuò)散電荷被電源吸收和補(bǔ)充 P+N 內(nèi)建內(nèi)建電場電場 E l0 - +- + V PN 結(jié)結(jié)反偏反偏 空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強(qiáng)空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強(qiáng) 少子漂移少子漂移多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 少子漂移形成少子漂移形成微小微小的的反向電流反向電流 IS PN 結(jié)接近截止

26、結(jié)接近截止 IR IS 與與 V 近似無關(guān)。近似無關(guān)。 溫度溫度 T 電流電流 IS 結(jié)論：結(jié)論：PN 結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 阻擋層變寬阻擋層變寬 少子被電源吸收和補(bǔ)充少子被電源吸收和補(bǔ)充 PN 結(jié) 結(jié)伏安特性方程式（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)來描述：結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述： ) 1e ( T j j S - V v Ii q kT V T 熱電壓熱電壓 26 mV( (室溫室溫) )其中：其中： IS 為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影

27、響很大。為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。 正偏時：正偏時： T e S V V II 反偏時：反偏時： S II- - 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 (BR)j Vv-） PN 結(jié) 結(jié)伏安特性曲線（伏安特性曲線（ (BR)j Vv- ） 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 ID(mA) V(V) VD(on) - -IS SiGe VD(on)= 0.7V IS=(10-910-16)A 硅硅PNPN結(jié)結(jié) VD(on)= 0.25V 鍺鍺PNPN結(jié)結(jié) IS=(10-610-8)A V VD(on)時

28、時 隨著隨著V 正向正向R R很小很小 I PNPN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通； V 6 V) ) 時，載流子動能增大形時，載流子動能增大形 成成碰撞電離。碰撞電離。 -V(BR) ij vj 形成原因：形成原因： 外加反向電壓較小外加反向電壓較小( ( CD ，則，則 Cj CT PN 結(jié)總電容：結(jié)總電容： Cj = CT + CD PN 結(jié)正偏時， 結(jié)正偏時，CD CT ，則，則 Cj CD 故：故：PN 結(jié)正偏時，以結(jié)正偏時，以 CD 為主。為主。 故：故：PN 結(jié)結(jié)反偏時，以反偏時，以 CT 為主。為主。 通常：通常：CD 幾十幾十 pF 幾千幾千 pF。 通常：通常：CT 幾幾 pF 幾十幾十

29、pF。 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 1.2.3 四種常見二極管四種常見二極管 本書所指的四種常見半導(dǎo)體二極管是本書所指的四種常見半導(dǎo)體二極管是 普通二極管普通二極管、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管發(fā)光二極管 和和 光電二極管光電二極管。 其中，其中，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 、發(fā)光二極管發(fā)光二極管 和和 光電二極管光電二極管 稱為特殊二極管。稱為特殊二極管。 根據(jù)前面的討論的半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為二極管是由根據(jù)前面的討論的半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為二極管是由 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 、 PN結(jié)結(jié) 和和 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 串聯(lián)構(gòu)成。串聯(lián)構(gòu)成。 其中其中

30、P型和型和N型半導(dǎo)體為單一類型半導(dǎo)體，存在型半導(dǎo)體為單一類型半導(dǎo)體，存在體電阻體電阻。其。其阻值阻值取決于半導(dǎo)取決于半導(dǎo) 體溫度和體溫度和PN結(jié)以外的幾何尺寸。結(jié)以外的幾何尺寸。 PN 正極正極負(fù)極負(fù)極 結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)：“PN 結(jié)結(jié)+單一半導(dǎo)體單一半導(dǎo)體”構(gòu)成構(gòu)成 特性： 特性： PN結(jié)電阻特性結(jié)電阻特性+體電阻體電阻RS 1 普通二極管的特性普通二極管的特性 特點(diǎn)： 特點(diǎn)： 普通二極管是為利用普通二極管是為利用PN結(jié)單向?qū)щ娦远鴮ｉT結(jié)單向?qū)щ娦远鴮ｉT 制造的二極管。制造的二極管。 ) 1e ( )/() s ( TDD s D- -nVRiv Ii ) 1e ( TD/ s D- Vv Ii

31、n 發(fā)射系數(shù)，也稱為非理想化因子，其值發(fā)射系數(shù)，也稱為非理想化因子，其值 在在1到到2之間之間 普通二極管的電阻特性普通二極管的電阻特性 （1）反向特性。）反向特性。 二極管的反向電流主要由二極管的反向電流主要由PN結(jié)的反向飽和電流結(jié)的反向飽和電流IS決定。決定。硅管的硅管的 為為nA數(shù)量級，鍺管數(shù)量級，鍺管 的的 為為 A數(shù)量級數(shù)量級。 （2）正正向特性。向特性。 電流較小時，電流較小時，二極管的伏安特性更接近指數(shù)特性；二極管的伏安特性更接近指數(shù)特性； 電電 流較大流較大時，二極管的伏安特性更接近直線特性。時，二極管的伏安特性更接近直線特性。 電流有明顯數(shù)值時對應(yīng)的外加正向電壓電流有明顯數(shù)值

32、時對應(yīng)的外加正向電壓 稱為稱為門坎電壓門坎電壓 ，記為，記為Vth。硅二極管約為。硅二極管約為0.5V，鍺二極管，鍺二極管 約為約為0.1V。 Vth Si 普通二極管參數(shù)普通二極管參數(shù) 最大整流電流最大整流電流 IF 二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。 最高反向工作電壓最高反向工作電壓 U(BR) 工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將是擊穿電壓。通常將是擊穿電壓 的一半。的一半。 反向飽和電流反向飽和電流 IS 通常希望通常希望 IS 值愈小愈好。它受溫度的影響。值愈小愈好。它受溫度的影響。

33、 二極管分類二極管分類 點(diǎn)接觸型：點(diǎn)接觸型： 結(jié)面積小，結(jié)電容小結(jié)面積小，結(jié)電容小 故結(jié)允許的電流小故結(jié)允許的電流小 最高工作頻率高最高工作頻率高 面接觸型：面接觸型： 結(jié)面積大，結(jié)電容大結(jié)面積大，結(jié)電容大 故結(jié)允許的電流大故結(jié)允許的電流大 最高工作頻率低最高工作頻率低 平面型：平面型： 結(jié)面積可小、可大結(jié)面積可小、可大 小的工作頻率高小的工作頻率高 大的結(jié)允許的電流大大的結(jié)允許的電流大 利用 利用 PN 結(jié)的反向擊穿特性專門結(jié)的反向擊穿特性專門制成的二極管。制成的二極管。 正常應(yīng)用區(qū)域要求： 正常應(yīng)用區(qū)域要求： IZmin iD VDO時，二極管特性近似為時，二極管特性近似為 VDO iD

34、vD 0 DDD0D iRVv- 式中，式中，RD為折線為折線B斜率的倒數(shù)；斜率的倒數(shù)；VDO為轉(zhuǎn)折點(diǎn)電為轉(zhuǎn)折點(diǎn)電 壓，又稱死區(qū)電壓。鍺管的約為壓，又稱死區(qū)電壓。鍺管的約為0.2 V，硅管約為，硅管約為 0.6 V。 i v VD0 ) 1 arctan( D R i v VD(on) i v 0 按近似精度遞減給出普通二極管常見的按近似精度遞減給出普通二極管常見的直折線近似等效模型直折線近似等效模型曲線如下曲線如下 直折線模型（直折線模型（1） 直折線模型（直折線模型（2） 直折線模型（直折線模型（3） 注：直折線近似等效模型（注：直折線近似等效模型（3）也稱）也稱理想二極管模型。理想二極管

35、模型。 i v VD0 ) 1 arctan( D R i v VD(on) i v 0 對應(yīng)電路模型對應(yīng)電路模型如下如下 直折線模型（直折線模型（1） 直折線模型（直折線模型（2） 直折線模型（直折線模型（3） a b VD(on) RD D + - - a b VD(on) D + - - a b D D(on)D Vv0 D v 對應(yīng)導(dǎo)通，即有電流時的表達(dá)式對應(yīng)導(dǎo)通，即有電流時的表達(dá)式如下如下 DDD0D iRVv- rs rj i v Q ) 1 arctan( j r rs：P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的體電阻，數(shù)值很小。區(qū)的體電阻，數(shù)值很小。 rj：為：為PN結(jié)的增量結(jié)電阻。結(jié)的增量結(jié)電阻。 特

36、定工作點(diǎn)特定工作點(diǎn)Q Q條件下的條件下的小信號電路模型小信號電路模型 jsd rrr 小信號近似模式是基于數(shù)學(xué)的直切線近似計(jì)算思小信號近似模式是基于數(shù)學(xué)的直切線近似計(jì)算思 路的分析方法，它有利于對以某點(diǎn)為基礎(chǔ)的小范圍電路的分析方法，它有利于對以某點(diǎn)為基礎(chǔ)的小范圍電 壓電流關(guān)系的計(jì)算分析。壓電流關(guān)系的計(jì)算分析。 rs rj i v Q ) 1 arctan( j r T S jj j j j T j )1e ( 1 V I I vv i r Q Vv V v Q Q - ( (室室溫溫) ) )( 26 T j QQ II V r 顯然，小信號模型在運(yùn)用時，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)與工作顯然，小信號模型在運(yùn)用

37、時，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)與工作 點(diǎn)的對應(yīng)和小信號的要求。一般來說，小信號的具體點(diǎn)的對應(yīng)和小信號的要求。一般來說，小信號的具體 大小范圍應(yīng)與運(yùn)用中要求的計(jì)算誤差的大小有關(guān)。大小范圍應(yīng)與運(yùn)用中要求的計(jì)算誤差的大小有關(guān)。 注意：注意：高頻電路中，需考慮高頻電路中，需考慮 Cj 影響。因高頻工作時，影響。因高頻工作時， Cj 容抗很小，容抗很小，PN 結(jié)單向?qū)щ娦詴蚪Y(jié)單向?qū)щ娦詴?Cj 的交流的交流 旁路作用而變差。旁路作用而變差。 2 二極管高頻模型二極管高頻模型 一般來說，往往會根據(jù)實(shí)際的需求來選用元器件模型。其中，簡單模型有利于工一般來說，往往會根據(jù)實(shí)際的需求來選用元器件模型。其中，簡單模型有利于工

38、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)值分析對比，以利于電路的最終工程實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。方便進(jìn)行數(shù)值分析對比，以利于電路的最終工程實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。 確定信息類型和表述特點(diǎn) 確定信息類型和表述特點(diǎn) 1.3.2分析模型選擇與典型運(yùn)用分析分析模型選擇與典型運(yùn)用分析 1數(shù)字信息處理與二極管的開關(guān)運(yùn)用數(shù)字信息處理與二極管的開關(guān)運(yùn)用 分析步驟：分析步驟： 選定元器件模型 選定元器件模型 確定分析手段 確定分析手段 已知：已知： 對應(yīng)信息表述 ABC 000 011 101 111 Av BvCv

39、 代表信息 代表信息1、0的電位可以的電位可以采用采用有一定誤差的有一定誤差的高、低高、低電位電位來表述，即二極管可以采用來表述，即二極管可以采用 直折線模型直折線模型2。 結(jié)果：結(jié)果： 代表信息 代表信息1的電位的電位在在4.4V5V左右；代表信息左右；代表信息0的電位在的電位在0V左右，即選用的元器件左右，即選用的元器件 模型模型沒有影響信息的表述沒有影響信息的表述，能說明問題。，能說明問題。 直折線模型計(jì)算 000 054.4 504.4 554.4 a b VD(on) D + - - AvBvCv 2電位平移電路目標(biāo)電位平移電路目標(biāo)與二極管運(yùn)用與二極管運(yùn)用 確定電路：確定電路： 輸入

40、與輸出相差一直流電壓 輸入與輸出相差一直流電壓 可依據(jù)二極管的直折線模型 可依據(jù)二極管的直折線模型2-完成電路完成電路 已知：已知： 簡單分析：簡單分析： 依據(jù)二極管的直折線模型 依據(jù)二極管的直折線模型2 電路：電路： D(on)iOVvv- 依據(jù) 依據(jù)高等數(shù)學(xué)的泰勒級數(shù)高等數(shù)學(xué)的泰勒級數(shù)，即，即 iE i oiEs i d d vV f v vf vf Vv v 精確分析：精確分析： 其中，其中，只與輸入直流有關(guān)，可由下圖來計(jì)算只與輸入直流有關(guān)，可由下圖來計(jì)算 o1E Vf V 近似可得：近似可得： D(on)EO1VVV- 其中，其中，是在直流基礎(chǔ)上，因輸入交是在直流基礎(chǔ)上，因輸入交 近似

41、可得：近似可得： iE i o2s i d d vV f v vv v 交流變化引起的?？捎啥O管交流變化引起的?？捎啥O管特定區(qū)域小信號模型特定區(qū)域小信號模型來計(jì)算。來計(jì)算。 s o2L dL v vR rR 最終結(jié)果：最終結(jié)果： s oEL dL 0.7 v vVR rR - 1.4半導(dǎo)體半導(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)系非線性電路的近似分析與電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系 1 根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)要求根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)要求-構(gòu)造電路模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造電路模塊結(jié)構(gòu)-進(jìn)行系統(tǒng)仿真進(jìn)行系統(tǒng)仿真 上述步驟應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，已完成低成本、高質(zhì)量的電路設(shè)計(jì)，其中仿真工具的使上述步驟應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，已完成低成本、高質(zhì)量的電路設(shè)計(jì)，

42、其中仿真工具的使 用是必需的。用是必需的。 第第 1 章章半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)元件與非線性電路 2 考慮各電路模塊誤差對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響考慮各電路模塊誤差對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響-進(jìn)行行為級仿真進(jìn)行行為級仿真 3 完成各電路模塊的具體電路構(gòu)造完成各電路模塊的具體電路構(gòu)造-進(jìn)行電路級仿真進(jìn)行電路級仿真 4 對電路板布線對電路板布線-進(jìn)行進(jìn)行PCB版仿真設(shè)計(jì)版仿真設(shè)計(jì) 1.5低頻電子電路的學(xué)習(xí)低頻電子電路的學(xué)習(xí) 分析方法的選取往往與電路目標(biāo)和分析誤差要求有直分析方法的選取往往與電路目標(biāo)和分析誤差要求有直 接的關(guān)系，同時單元電路的技術(shù)分析又涉及信號與系接的關(guān)系，同時單元電路的技術(shù)分析又涉及信號與系 統(tǒng)等課程的內(nèi)容。統(tǒng)等課程的內(nèi)容。 注意掌握各種功能電路的基本原理及分析方法，注重注意掌握各種功能電路的基本原理及分析方法，注重 養(yǎng)成工程現(xiàn)實(shí)和理想相結(jié)合的觀察問題習(xí)慣。以便理養(yǎng)成工程現(xiàn)實(shí)和理想相結(jié)合的觀察問題習(xí)慣。以便理 解各種實(shí)用的電路構(gòu)成方法和原則，以及