13低频电子电路第一章

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 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

2、半导体的电阻性质 N型半导体型半导体 三层次的半导体元器件三层次的半导体元器件 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 + N 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 1. 导体：导体：电阻率电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。物质。如橡胶、塑料等。 3.

3、 半导体：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 主要材料是硅主要材料是硅( (Si) )和锗和锗( (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 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 半导体分类半导体分类 杂质半导体（杂质半导体（P型半导

4、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 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： +14284 +3228418 +4 价电子价电子 惯性核惯性核 1.1.1本征半导体的伏安特性本征半导体的伏安特性 本征半导体本征半导体 +4 +4 +4+4+4 +4 +4 +4 +4 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

5、。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将硅或锗材料提纯便 形成单晶体，它的原子结形成单晶体，它的原子结 构为共价键结构。构为共价键结构。 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 当温度当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，时，半导体不导电， 如同绝缘体。如同绝缘体。 +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 ，将有少数价电子克服共价，将有少数价电子克服共价 键的束缚成为键的束缚成为自由电子自由

6、电子，在原来的共价，在原来的共价 键中留下一个空位键中留下一个空位空穴。空穴。 T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本征半导体具有本征半导体具有 导电能力，但很微弱。导电能力，但很微弱。 空穴可看成带正电的载流子。空穴可看成带正电的载流子。 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：远离价电子层的电子（受原子核作用：远离价电子层的电子（受原子核作用 小）。小）。 激发；激发； +4 +4 +4 +4 +4 反

7、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 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空 穴，穴，带正电。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穴运动空穴运动。 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。 空穴的运动 空穴的运动 另外，将自由电子轨道层面的电子运动称为另外，将自由电子轨道层面的电子运动称为自由电子的运动自由电子的运动，简称为，简称为电子

8、运动电子运动。 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 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。过能量的较大吸收或释放，即由此跨越禁带来实现。 从价

9、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对应；从导带到价带的电子轨运动对应；从导带到价带的电子轨 道变迁，与前述的道变迁，与前述的复合复合运动对应。运动对应。 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，与前述的电子运动电子运动对应；电子在价带内部的电对应；电子在价带内部的电 子轨道变迁，与前述的子轨道变迁，与前述的空穴运动空穴运动对应。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 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

10、。 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。复合。 i 2 3 i 2 0 epATn kT g E - 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 1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子 带负电的带负电的自由电子自由电子 带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为本征半导体中，自由电子

11、和空穴总是成对出现，称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。 3. 本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，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。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，在一定的温度下， 产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 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。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 总结 半导体的

12、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 E I S l SJ El I V R t 本征半导体的电压电流关系可由等效的电阻本征半导体的电压电流关系可由等效的电阻 元件来代替。元件来代替。 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受到温度和光照的影响。会受到温度和光照的影响。所以所以本本 征半导体的阻值征半导体的阻值也也会受到温度和光照的影响。会受到温度和光照的影响。 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，由此由此形成的电流称形成的电流称漂移电流。

13、漂移电流。 漂移电流密度漂移电流密度 EqpJ ppt EnqJ nnt )(- 总漂移电流密度：总漂移电流密度： )( nPntptt npEqJJJ 迁移率迁移率 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，就会使半导体的导电性能发生显著变的杂质，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的某种载流子浓度大大增加。化。其原因是掺杂半导体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，也称为（空穴半导体）。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：型半导体：自

14、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）。 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。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即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电子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空空 穴称为少数载流子穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。 磷原子给出一个电子，称为磷原子给出一个电子，称为 施主杂质施主杂质。 v P 型半导

15、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 硼硼原子给出一个电子，称为原子给出一个电子，称为受受 主杂质主杂质。 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。 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，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为程度的增加，尽管参杂的

16、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。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。但由于数量的关系，起导电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。 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 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 2 in0n0 npn ( (质量作用定理质量作用定理) ) dn0dn0 NpNn

17、( (电中性方程电中性方程) ) P 型半导体型半导体 2 ip0p0 nnp ap0ap0 NnNp 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 d N a N 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。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

18、。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 利用掺杂工艺，把利用掺杂工艺，把 P 型半导体和型半导体和 N 型半导体在原子级上仍按晶体延续方式结合在一型半导体在原子级上仍按晶体延续方式结合在一 起。起。 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，扩散运动，所形成的电流称所形成的电流称扩散电流。扩散电流。 扩散电流密度：扩散电流密度： x xp qDJ d )(d ppd - - x xn DqJ d )(d )( nnd - - - 扩散与扩散电流 扩散与扩散电流 N 型

19、型 硅硅 光照光照 n(x) p(x) 载流子浓度载流子浓度 x n0 p0 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 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型半导体在原子级上紧密结合，型半导体在原子级上紧密结合，P P区与区与N N区的交界区的交界 面就形成了面就形成了PNPN结。结。 掺杂掺杂 N型型P型型 PN结结 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

20、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 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 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。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。 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。漂移。 少子的运动与多子运动方向相反少子的运动与多

21、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 VB0 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。 随着内电场的增强，扩散电流逐渐减小；漂移运动逐渐增加。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，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结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到 稳定。即稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。 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

22、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相抵消，通过结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过 PN 结的电流为结的电流为 零。零。 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 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 穿越能力 穿越能力 载流子扩散载流子扩散漂移漂移-动态平衡动态平衡-载流子分载流子分 布见图（布见图（c）

23、载流子扩散导致同层电子轨道存在电位差载流子扩散导致同层电子轨道存在电位差 （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层耗尽层 PN结的物理空间称为结的物理空间称为空间电荷区空间电荷区，或，或 势垒区势垒区 内建电位差（电量描 内建电位差（电量描 述）：述）： 2 i n0p0 TB0 ln n np VV 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 V 空间电荷区宽度（物理空 空间电荷区宽度（物理空 间描述）：间描述）： 2 1 da da B0 ) 2

24、( NN NN V q l 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 1.2.2有电压时有电压时PN 结的导电能力结的导电能力 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 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 E l0 + -+

25、- V PN 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 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 P+N 内建内建电场电场 E l0 - +- + V PN 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 IS PN 结接近截止

26、结接近截止 IR IS 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 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： ) 1e ( T j j S - V v Ii q kT V T 热电压热电压 26 mV( (室温室温) )其中：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

27、响很大。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：正偏时： T e S V V II 反偏时：反偏时： S II- - 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 (BR)j Vv-） PN 结 结伏安特性曲线（伏安特性曲线（ (BR)j Vv- ） 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) - -IS SiGe VD(on)= 0.7V IS=(10-910-16)A 硅硅PNPN结结 VD(on)= 0.25V 锗锗PNPN结结 IS=(10-610-8)A V VD(on)时

28、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 6 V) ) 时，载流子动能增大形时，载流子动能增大形 成成碰撞电离。碰撞电离。 -V(BR) ij vj 形成原因：形成原因： 外加反向电压较小外加反向电压较小( ( 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。为主。 故：故：PN 结结反偏时，以反偏时，以 CT 为主。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

29、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 1.2.3 四种常见二极管四种常见二极管 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。 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 称为特殊二极管。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型半导体型半导体 、 PN结结 和和 N型半导体型半导体 串联构成。串联构成。 其中其中

30、P型和型和N型半导体为单一类型半导体，存在型半导体为单一类型半导体，存在体电阻体电阻。其。其阻值阻值取决于半导取决于半导 体温度和体温度和PN结以外的几何尺寸。结以外的几何尺寸。 PN 正极正极负极负极 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 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。 ) 1e ( )/() s ( TDD s D- -nVRiv Ii ) 1e ( TD/ s D- Vv Ii

31、n 发射系数，也称为非理想化因子，其值发射系数，也称为非理想化因子，其值 在在1到到2之间之间 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决定。决定。硅管的硅管的 为为nA数量级，锗管数量级，锗管 的的 为为 A数量级数量级。 （2）正正向特性。向特性。 电流较小时，电流较小时，二极管的伏安特性更接近指数特性；二极管的伏安特性更接近指数特性； 电电 流较大流较大时，二极管的伏安特性更接近直线特性。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电流有明显数值

32、时对应的外加正向电压 称为称为门坎电压门坎电压 ，记为，记为Vth。硅二极管约为。硅二极管约为0.5V，锗二极管，锗二极管 约为约为0.1V。 Vth Si 普通二极管参数普通二极管参数 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。 最高反向工作电压最高反向工作电压 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。通常将是击穿电压 的一半。的一半。 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。

33、 二极管分类二极管分类 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 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 VDO时，二极管特性近似为时，二极管特性近似为 VDO iD

34、vD 0 DDD0D iRVv- 式中，式中，RD为折线为折线B斜率的倒数；斜率的倒数；VDO为转折点电为转折点电 压，又称死区电压。锗管的约为压，又称死区电压。锗管的约为0.2 V，硅管约为，硅管约为 0.6 V。 i v VD0 ) 1 arctan( D R i v VD(on) i v 0 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效模型直折线近似等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

35、模型。 i v VD0 ) 1 arctan( D R i v VD(on) i v 0 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） a b VD(on) RD D + - - a b VD(on) D + - - a b D D(on)D Vv0 D v 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 DDD0D iRVv- rs rj i v Q ) 1 arctan( j r rs：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。 特

36、定工作点特定工作点Q Q条件下的条件下的小信号电路模型小信号电路模型 jsd rrr 小信号近似模式是基于数学的直切线近似计算思小信号近似模式是基于数学的直切线近似计算思 路的分析方法，它有利于对以某点为基础的小范围电路的分析方法，它有利于对以某点为基础的小范围电 压电流关系的计算分析。压电流关系的计算分析。 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 - ( (室室温温) ) )( 26 T j QQ II V r 显然，小信号模型在运用时，应特别强调与工作显然，小信号模型在运用

37、时，应特别强调与工作 点的对应和小信号的要求。一般来说，小信号的具体点的对应和小信号的要求。一般来说，小信号的具体 大小范围应与运用中要求的计算误差的大小有关。大小范围应与运用中要求的计算误差的大小有关。 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。 2 二极管高频模型二极管高频模型 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

38、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。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 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 已知：已知： 对应信息表述 ABC 000 011 101 111 Av BvCv

39、 代表信息 代表信息1、0的电位可以的电位可以采用采用有一定误差的有一定误差的高、低高、低电位电位来表述，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。 结果：结果： 代表信息 代表信息1的电位的电位在在4.4V5V左右；代表信息左右；代表信息0的电位在的电位在0V左右，即选用的元器件左右，即选用的元器件 模型模型没有影响信息的表述没有影响信息的表述，能说明问题。，能说明问题。 直折线模型计算 000 054.4 504.4 554.4 a b VD(on) D + - - AvBvCv 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

40、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 已知：已知： 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 电路：电路： D(on)iOVvv- 依据 依据高等数学的泰勒级数高等数学的泰勒级数，即，即 iE i oiEs i d d vV f v vf vf Vv v 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 o1E Vf V 近似可得：近似可得： D(on)EO1VVV- 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

41、可得：近似可得： iE i o2s i d d vV f v vv v 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。来计算。 s o2L dL v vR rR 最终结果：最终结果： s oEL dL 0.7 v vVR rR - 1.4半导体半导体非线性电路的近似分析与电路系统设计的关系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、高质量的电路设计，其中仿真工具的使上述步骤应反复进行，已完成低成本、高质量的电路设计，

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 1.5低频电子电路的学习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。 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