會計學1低頻電子電路章課程結構半導體非線性分析（1、2章）受控特性分析（3章）放大單元與器件（4-7章）電路應用結構與改良（8章）《低頻電子電路》第1頁/共61頁第1部分半導體非線性分析

第一章

半導體基礎元件與非線性電路1.1

單一類型半導體的導電性能1.2

半導體二極管的導電性能1.3

半導體非線性電路的分析基礎1.4

半導體非線性電路的近似分析

與電路系統設計的關系《低頻電子電路》第2頁/共61頁第1部分半導體非線性分析

第二章

半導體受控器件基礎2.1

雙極型晶體管的電量制約關系2.2

場效應管的電量制約關系2.3元器件的模型研究與仿真的工程意義《低頻電子電路》第3頁/共61頁概述三層次的半導體元器件第1章半導體基礎元件與非線性電路P型半導體本征半導體第1層

單一類型半導體材料

--------半導體的電阻性質N型半導體第4頁/共61頁概述三層次的半導體元器件第1章半導體基礎元件與非線性電路第2層

多類型半導體材料的不同簡單組合

--------非線性導體性質PN正極負極NPP+P+P+N第5頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路第2層

多類型半導體材料的不同簡單組合

--------非線性導體性質第6頁/共61頁三層次的半導體元器件第3層

多類型半導體材料的復雜組合

--------半導體的信號處理功能第1章半導體基礎元件與非線性電路第7頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路第3層

多類型半導體材料的復雜組合

--------半導體的信號處理功能第8頁/共61頁1.1

單一類型半導體的導電性能無雜質的---本征半導體物質結構：原子按有序排列的晶體結構構成分類導電原理分析方法：共價鍵方法，能帶理論方法第1章半導體基礎元件與非線性電路半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。雜質半導體（P型半導體、N型半導體)（1）共價鍵方法----原子間結構，外層電子軌道位置（2）能帶理論方法-----半導體內電子流動能力分析第9頁/共61頁1硅和鍺晶體的共價鍵分析法硅(Si)、鍺(Ge)原子結構及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核第1章半導體基礎元件與非線性電路1.1.1本征半導體的伏安特性第10頁/共61頁硅或鍺的本征半導體的原子結構，即共價鍵結構。它們是制造半導體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵本征半導體第1章半導體基礎元件與非線性電路第11頁/共61頁

激發

當T

升高或光線照射時產生自由電子空穴對。

共價鍵具有很強的結合力。當T=0K(無外界影響)

時，共價鍵中無自由移動的電子。這種現象稱結論：空穴價電子層的電子空位；自由電子的遠離價電子層的電子（受原子核作用?。?。激發；+4+4+4+4+4反之，稱為復合。第1章半導體基礎元件與非線性電路第12頁/共61頁當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穴帶正電。通常，將原子間價電子軌道層面的電子運動稱為空穴運動。注意：空穴運動方向與價電子運動的方向相反。自由電子—帶負電半導體中有兩種導電的載流子

空穴的運動空穴—帶正電通常，將自由電子軌道層面的電子運動稱為自由電子的運動，簡稱為電子運動。第1章半導體基礎元件與非線性電路第13頁/共61頁2硅和鍺晶體中電子活動的能帶分析法第1章半導體基礎元件與非線性電路第14頁/共61頁在半導體整體平臺中，電子運行軌道可以采用對應的電子能量來表示，因此，有了物質的電子軌道的能級圖（較精細）和能帶圖（對較大能級差體現明顯）。第1章半導體基礎元件與非線性電路第15頁/共61頁電子在同一能帶中不同能級間的運動變遷較為容易；跨能帶的運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現。從價帶到導帶的電子軌道變遷，與前述的激發運動對應；從導帶到價帶的電子軌道變遷，與前述的復合運動對應。

結論（共價鍵分析與能帶分析的對應）：電子在導帶內部的電子軌道變遷，與前述的電子運動對應；電子在價帶內部的電子軌道變遷，與前述的空穴運動對應。第1章半導體基礎元件與非線性電路第16頁/共61頁溫度一定時：激發與復合在某一熱平衡值上達到動態平衡。

熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導體中本征激發——產生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復合。T導電能力ni或光照熱敏特性光敏特性第1章半導體基礎元件與非線性電路第17頁/共61頁

半導體的電導率+-V長度l截面積S電場EI電阻：電導率：

本征半導體的電壓電流關系可由等效的電阻元件來代替。但電阻的阻值會受到溫度和光照的影響。第1章半導體基礎元件與非線性電路第18頁/共61頁漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，由此形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率第1章半導體基礎元件與非線性電路第19頁/共61頁

N型半導體：1.1.2雜質半導體的結構+4+4+5+4+4簡化模型：N型半導體多子——自由電子（靠雜質和激發）少子——空穴（靠少量激發產生）自由電子本征半導體中摻入少量五價元素構成。第1章晶體二極管第20頁/共61頁P型半導體+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導體少子——自由電子（靠少量激發產生）多子——空穴（靠雜質和激發）空穴本征半導體中摻入少量三價元素構成。第1章晶體二極管第21頁/共61頁注：N型半導體雜質濃度；P型半導體雜質濃度

雜質半導體中載流濃度計算N型半導體(質量作用定理)(電中性方程)P型半導體雜質半導體呈電中性少子濃度取決于溫度的激發。多子濃度主要取決于摻雜濃度。第1章晶體二極管第22頁/共61頁晶體二極管結構及電路符號：PN結正偏(P接+、N接-)，D導通。PN正極負極晶體二極管的主要特性：單方向導電特性PN結反偏(N接+、P接-)，D截止。即第1章半導體基礎元件與非線性電路1.2半導體二極管的導電性能利用摻雜工藝，把P型半導體和N型半導體在原子級上仍按晶體延續方式結合在一起。第23頁/共61頁載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。擴散電流密度：

擴散與擴散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0第1章半導體基礎元件與非線性電路1.2.1無電壓時PN結的載流子分布與交換第24頁/共61頁P區與N區的交界區域為PN結。

N型P型PN結PN結載流子分布第1章半導體基礎元件與非線性電路第25頁/共61頁阻止多子擴散出現內建電場開始因濃度差產生空間電荷區引起多子擴散利于少子漂移最終達動態平衡注意：PN結處于動態平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過PN結的電流為零。

PN結形成的物理過程第1章半導體基礎元件與非線性電路第26頁/共61頁

PN結的載流子分布第1章半導體基礎元件與非線性電路

穿越能力載流子擴散—漂移---動態平衡------載流子分布見圖（c）載流子擴散導致同層電子軌道存在電位差（內建電位差），即載流子穿越存在能級差異，見圖（b）

PN結的物理空間稱為耗盡層

PN結的物理空間稱為空間電荷區，或勢壘區第27頁/共61頁

內建電位差（電量描述）：室溫時鍺管VB0

0.2~0.3V硅管VB00.5~0.7V

空間電荷區寬度（物理空間描述）：

注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內建電位差VB越大，阻擋層寬度l0

越小。第1章半導體基礎元件與非線性電路第28頁/共61頁1.2.2有電壓時PN結的導電能力PN結的電阻特性第1章半導體基礎元件與非線性電路第29頁/共61頁1.2.2有電壓時PN結的導電能力1PN結的電阻特性P+N內建電場El0+-VPN結正偏空間電荷區變薄空間電荷區內建電場減弱多子擴散>>少子漂移擴散形成較大的電流PN結導通I電壓V電流I第1章半導體基礎元件與非線性電路PN結——導電原理擴散電荷被電源吸收和補充第30頁/共61頁P+N內建電場

El0-+VPN結反偏空間電荷區內建電場增強少子漂移>>多子擴散少子漂移形成微小的反向電流

ISPN結接近截止IRIS與V近似無關。溫度T電流IS結論：PN結具有單方向導電特性。第1章半導體基礎元件與非線性電路阻擋層變寬少子被電源吸收和補充第31頁/共61頁PN結——伏安特性方程式（PN結正、反向特性，可用理想的指數函數來描述：熱電壓26mV(室溫)其中：

IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關，但受溫度影響很大。正偏時：反偏時：第1章半導體基礎元件與非線性電路）第32頁/共61頁PN結——伏安特性曲線（-ISSiGeVj(on)Vj(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結Vj(on)=0.25V鍺PN結IS=(10-6~10-8)Avj=Vj(on)時隨著vj

正向R

很小ij

PN結導通；vj<Vj(on)時ij

很小(ij

-IS)反向R很大PN結截止。溫度每升高10℃，IS

約增加一倍。溫度每升高1℃，Vj(on)

約減小2.5mV。0）第1章半導體基礎元件與非線性電路第33頁/共61頁|vj|

=V(BR)時，

|ij|急劇，

PN結反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結摻雜濃度較低(l0

較寬)發生條件：形成原因：外加反向電壓較大(>6V)

時，載流子動能增大形成碰撞電離。-V(BR)ijvj形成原因：外加反向電壓較小(<6V)，就能導致價電子場致激發。

發生條件：PN結摻雜濃度較高(l0

較窄)0PN結的擊穿特性（第1章半導體基礎元件與非線性電路）第34頁/共61頁因為T

載流子運動的平均自由路程V(BR)。

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數。

齊納擊穿電壓具有負溫度系數。因為T

價電子自身活躍度增強V(BR)。2PN結的熱擊穿現象

熱擊穿是指PN結功率耗損過大，結溫升高，半導體激發加強，導致PN結功耗進一步增大的惡性循環。循環的最終結果，必將導致PN結的晶體結構遭到破壞，半導體材料被燒毀，PN結的導電特性不復存在的開路狀態。第1章半導體基礎元件與非線性電路第35頁/共61頁3

PN結的電容特性PN結內凈電荷量隨外加電壓變化產生的電容效應。

勢壘電容CT

擴散電容CD

PN結貯存的自由電子和空穴同步增減所需的電荷儲量變化的電容效應。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N第1章半導體基礎元件與非線性電路第36頁/共61頁PN結電容PN結反偏時，CT>>CD，則Cj

CTPN結總電容：Cj=CT+CDPN結正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結正偏時，以CD

為主。故：PN結反偏時，以CT

為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。第1章半導體基礎元件與非線性電路第37頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路1.2.3

4種常見二極管導電情況第38頁/共61頁

結構：“PN結+單一半導體”構成

特性：PN結電阻特性+體電阻RS第1章半導體基礎元件與非線性電路1普通二極管的特性

特點：普通二極管是為利用PN結單向導電性而專門制造的二極管。第39頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路普通二極管參數

（1）反向特性。

二極管的反向電流主要由PN結的反向飽和電流IS決定。硅管的

為nA數量級，鍺管的

為A數量級。

（2）正向特性。

電流較小時，二極管的伏安特性更接近指數特性；

電流較大時，二極管的伏安特性更接近直線特性。

電流有明顯數值時對應的外加正向電壓

稱為門坎電壓，記為Vth。硅二極管約為0.5V，鍺二極管

約為0.1V。VthSi第40頁/共61頁

利用PN結的反向擊穿特性專門制成的二極管。

正常應用區域要求：

-IZmin<-iD<

-IZmax-VZiD-IZmin-IZmax+-VZ0vD第1章半導體基礎元件與非線性電路2穩壓二極管第41頁/共61頁

光電二極管屬于光生伏特效應器件中與半導體有關的兩端元件。第1章半導體基礎元件與非線性電路3光電二極管第42頁/共61頁將PN結上的能耗有效地轉換成光強發射出來的特種二極管。

發光二極管流過電流時將發出光來，用不同材料制成的發光二極管會發出不同顏色（波長）的光。發光二極管應采用透光材料進行封裝。發光二極管常用于顯示信息的電視屏、電氣設備中的電源指示燈。第1章半導體基礎元件與非線性電路4發光二極管第43頁/共61頁1.3半導體非線性電路的分析基礎分為：低頻電阻特性分析，高頻特性分析；后者分析需采用仿真工具來完成。

電路分析均是建立在特定等效模型基礎上的分析。

靈活選擇元器件模型和模型表達方式，可以簡化分析的復雜度。第1章半導體基礎元件與非線性電路

任何實際元器件的電路模型都只是在特定條件下的等效模型。第44頁/共61頁1.3.1電阻特性分析初步與工程分析概念第1章半導體基礎元件與非線性電路1電路模型與理性二極管ivVD0ivVD(on)iv0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曲線如下

直折線模型（1）直折線模型（2）直折線模型（3）注：直折線近似等效模型（3）也稱理想二極管模型。第45頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路ivVD0ivVD(on)iv0對應電路模型如下

直折線模型（1）直折線模型（2）直折線模型（3）abVD0RDD+-abVD(on)D+-abD對應導通時，模型的電壓電流表達式如下：第46頁/共61頁特定工作點Q條件下的小信號電路模型rsrjivQrs：P區和N區的體電阻，數值很小。rj：為PN結的增量結電阻。第1章半導體基礎元件與非線性電路第47頁/共61頁注意：高頻電路中，需考慮Cj

影響。因高頻工作時，

Cj容抗很小，PN結單向導電性會因Cj

的交流旁路作用而變差。第1章半導體基礎元件與非線性電路2二極管高頻模型第48頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路3二極管的計算機仿真模型（SPICE）表1-3-1 SPICE二極管模型的主要參數表第49頁/共61頁

一般來說，往往會根據實際的需求來選用元器件模型。其中，簡單模型有利于工程上近似快速分析，也適用于手工計算的需要；復雜模型則比較適合計算機分析，也方便進行數值分析對比，以利于電路的最終工程實現和優化。

確定信息類型和表述特點1.3.2分析模型選擇與典型運用分析1．數字信息處理與二極管的開關運用分析步驟：

選定元器件模型

確定分析手段第1章半導體基礎元件與非線性電路第50頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路已知：表1-3-2 圖1-3-6對應的電位情況與相應信息對應信息表述ABC000011101111

代表信息1、0的電位可以采用有一定誤差的高、低電位來表述，即二極管可以采用直折線模型2。第51頁/共61頁第1章半導體基礎元件與非線性電路結果：表1-3-2 圖1-3-6對應的電位情況與相應信息

代表信息1的電位在4.4V～5V左右；代表信息0的電位在0V左右，即選用的元器件模型沒有影響信息的表述，能說明問題。直折線模型計算000054.4504.4554.4abVD(on)D+-第52頁/共61頁2．電位平移電路目標與二極管運用確定電路：

輸入與輸出相差一直流電壓

可依據二極管的直折線模型2----完成電路第1章半導體基礎元件與非線性電路已知：第53頁/共61頁簡單分析：

依據二極管的直折線模型2第1章半導體基礎元件與非線性電路電路：第54頁/共61頁

依據高等數學的泰勒級數，即第1章半導體基礎元件與非線性電路分析數學基礎：其中，只與輸入直流有關，可由下圖來計算近似