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1、低频电子电路 何丰,-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,课程概述,电子电路：特指含半导体元器件的电路，并能 对电信号实现某种处理的功能电路。,低频电子电路：电信号周期较大的电子电路，以 及一些“电子电路”相关基础。,半导体元器件：二极管、场效应管、集成电路。,低频电子电路,课程结构,半导体非线性分析（1、2章）,受控特性分析（3章）,放大单元与器件（4-7章）,电路应用结构与改良（8章）,低频电子电路,第 1 部分 半导体非线性分析,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,
2、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,第 1 部分 半导体非线性分析,第二章 半导体受控器件基础,2.1 双极型晶体管的电量制约关系,2.2 场效应管的电量制约关系,2.3 元器件的模型研究与仿真的工 程意义,低频电子电路,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,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,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
3、材料的不同简单组合 -非线性导体性质,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,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,1.1 单一类型半导体的导电性能,无杂质的-本征半导体,物质结构：原子按有序排列的晶体结构构成,分类,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：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,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
4、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(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,硅或锗的本征半导体的原子结构，即共价键结构。它们是制造半导体器件的基本材料。,本征半导体,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,激发,共价键具有很强的结合力。 当 T = 0 K(无外界影响) 时，共价键中无自由移动的电子。,这种现象称,结论：空穴价电子层的电子空位；自由电子的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,当原子中的价电子层失去电子时，原子的惯性核
5、带正电，可将其视为空位或空穴带正电。,通常，将原子间价电子轨道层面的电子运动称为空穴运动。,注意：空穴运动方向与价电子运动的方向相反。,自由电子 带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴的运动,空 穴 带正电,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,2 硅和锗晶体中电子活动的能带分析法,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,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（较精细）和能带图（对较大能级差体现明显）。,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,电子在同一能带中不同
6、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，与前述的复合运动对应。,结论（共价键分析与能带分析的对应）：,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,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,半导体的电导率,电阻：,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。
7、但电阻的阻值会受到温度和光照的影响。,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,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。,总漂移电流密度：,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,N 型半导体：,1.1.2 杂质半导体的结构,简化模型：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,第 1 章 晶体二极管,P 型半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量三价元素构成。,第 1 章 晶体二极管,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,第 1 章 晶体二极管,晶体二极管结构及电路符号：,PN 结正偏(P 接 +、N 接 -)，D 导通。,晶
8、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,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。,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,P 区与 N 区的交界区域 为PN 结。,N 型,PN 结,PN结载流子分布,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,阻止多子扩散,利于少子漂移,PN 结形成的物理过程
9、,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,PN 结的载流子分布,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,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,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,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
10、电路,1.2.2 有电压时PN 结的导电能力,1 PN 结的电阻特性,I,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,PN 结导电原理,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,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,）,PN 结伏安特性曲线（,温度每升高 10，IS 约增加一倍。,温度每升高 1， Vj(on) 约减小 2.5 mV。,0,）,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,0,P
11、N 结的击穿特性（,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,）,因为 T 载流子运动的平均自由路程 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。,因为 T 价电子自身活跃度增强 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,3 PN 结的电容特性,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,扩散电容 CD,PN结贮存的自
12、由电子和空穴同步增减所需的电荷储量变化的电容效应。,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,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,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,1.2.3 4种常见二极管导电情况,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
13、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。,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,普通二极管参数,（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。,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
14、,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,2 稳压二极管,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,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,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。,电路分析均是建立在特定等效模
15、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。,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。,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）,对应导通时，模型的电压电流表达式如下：,
16、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,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,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1-3-1 SPICE二极管模型的主要参数表,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；复杂模型则比较适合计算机分析
17、，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,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。,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；代表信息0的电位在0V左右，即选用
18、的元器件模型没有影响信息的表述，能说明问题。,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：,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：,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,分析数学基础：,其中，,只与输入直流有关，可由下图来计算,近似分析：,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：,流变化引起的。可由二极管特定区域小信号模型来计算。,最终结果：,1.4 半导体非线性电路
19、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,1.4.3 单元电路与电路结构,1 利用二极管单向导电原理实现： 将输入“交流（双向）”转成输出“单向”电量；,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,2 考虑将“输入正、负半周电量分别不同通路”来实现；,3 电路分析,结论：电路结果与需求有误差，
20、即电路需要优化（8章）,第 1 章 半导体基础元件与非线性电路,若二极管模型选用,3 电路分析,（2）电路输出电压平均分量为,4 电路在较小输入时，输出表达式不能反映实际,则：（1）电路输出电压为,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。,