低频电子电路_01.－金锄头文库

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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 1.1 概念概念数字电子技术模拟电子技术电力电子技术信息电子技术电子技术信息电子技术：信息处理电力电子技术：电力变换电力电子技术是应用于电力领域的电子技电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件对电能进行术，也就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。从转换的功率来讲，变换和控制的技术。从转换的功率来讲，可在可在1W1W1GW1GW之间之间课程概述电子电路：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

2、电子电路：电信号周期较大的电子电路，本书也涉及一些“电子电路基础”内容。半导体元器件：二极管、场效应管、集成电路。低频电子电路课程概述电子电路电力电子电路信息电子电路模拟电子技术数字电子技术课程结构半导体非线性分析受控特性分析放大单元与器件电路应用结构与改良低频电子电路第 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 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

3、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 P型半导体半导体第1层单一类型半导体材料 -半导体的电阻性质 N型半导体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 PN 正极负极 NPP + P + P + N 概述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 1.1 单一类

4、型半导体的导电性能无杂质的-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： +14284 +3228418 +4 价电子惯性核第 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

5、是制造半导体器件的基本材料。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键本征半导体第 1 章半导体基础元件与非线性电路激发 q 当 T 升高或光线照射时产生自由电子空穴对。 q 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； +4 +4 +3 +4 +4 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

6、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。 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

7、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：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。 v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量复合。 T导电能力 ni 或光照热敏特性光敏特性第 1 章半导体基础元件与非线性电路半导体的电导率 + - V 长度 l 截面积 S 电场 E I 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

8、代替。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。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率第 1 章半导体基础元件与非线性电路 v N 型半导体： 1.1.2 杂质半导体的结构 +4 +4 +5 +4 +4 简化模型： N 型半导体多子自由电子（靠杂质和激发）少子空穴（靠激发产生）自由电子本征半导体中掺入少量五价元素构成。第 1 章晶体二极管 v P 型半导体 +4 +4 +3 +4 +4 简化模型： P 型半导体少子自由电子（靠激发）多子空穴（靠杂质和激发）

9、空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。第 1 章晶体二极管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) P 型半导体杂质半导体呈电中性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。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。 PN 正极负极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 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

10、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 N 型硅光照 n(x) p(x) 载流子浓度 x n0 p0 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P 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出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡注意： PN 结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过 PN 结的电流为零。 PN 结形成的物理过程第 1 章

11、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（b）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（c）内建电位差（电量描述）：室温时锗管 VB 0.2 0.3 V 硅管 VB 0.5 0.7 V 阻挡层宽度（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电路

12、 1.2.2 有电压时PN 结的导电能力 1 PN 结的电阻特性 P+N 内建电场 E l0 + - V PN 结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散少子漂移多子扩散形成较大的正向电流 IPN 结导通 I 电压 V 电流 I 第 1 章半导体基础元件与非线性电路 PN 结导电原理 P+N 内建电场 E l0 - + V PN 结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流 IR PN 结截止 IR IR 与 V 近似无关。温度 T 电流 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

13、结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压 26 mV(室温)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（ VD(on) -IS SiGe VD(on) = 0.7 V IS = (10-9 10-16) A 硅 PN 结 VD(on)= 0.25 V 锗 PN 结 IS = (10-6 10-8) A V VD(on)时随着V 正向R 很小 I PN 结导通； V 6 V) 形成原因：碰撞电离。 -V(BR) ID V 形成原因：场致激发。发生条件 PN 结掺杂浓度

14、较高(l0 较窄) 外加反向电压较小( 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

15、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Vth约为 0.1V。 Vth Si 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 -VZ iD -IZmin -IZmax + - VZ 0vD 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

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