電路與電子線路基礎(chǔ)(電子線路部分)全套課件完整版電子教案最新板

1、電路與電子線路基礎(chǔ) （電子線路部分）電路與電子線路基礎(chǔ)（下）Fundamental Electric and Electronic Circuits第1章 非線性電路概述 線性電路特性本教材電路部分主要給出了線性元件和線性電路的分析方法，所建立的諸如戴維寧定理和疊加定理等一系列定理和雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等一系列計算方法都是建立在線性電路的基礎(chǔ)之上的。線性器件和電路的最重要特征是滿足迭加原理：假定有 y1=f (x1)，y2=f(x2)， x=x1+x2，對于線性元件、電路和系統(tǒng)，則有y=f (x)= f (x1+x2)= f(x1)+f(x2)= y1+y2非線性元件與電路本冊教材將引入非線性器件和

2、非線性電路的分析與設(shè)計方法。簡要地介紹非線性元件舉例說明非線性電路方程的建立方法。介紹圖解法、小信號法和分段線性化等分析非線性電路的常用方法。非線性元件線性元件的特點是其參數(shù)不隨所施加的電壓或電流而變化。如果元件的參數(shù)是隨電壓或電流變化，則稱為非線性元件，含有非線性元件的電路被稱之為非線性電路。實際電路元件的參數(shù)總是或多或少地隨著電壓或電流而變化的。所以，嚴(yán)格說來，一切實際電路都是非線性電路。但在工程計算中，將那些非線性程度比較微弱的元件作為線性元件來處理，不會帶來本質(zhì)上的差異，從而簡化了電路分析。非線性元件但是，許多元件的非線性特征是不能忽略的，否則就將無法解釋電路中發(fā)生的物理現(xiàn)象。如果將這

3、些非線性元件作為線性元件處理，勢必使計算結(jié)果與實際情況相差過大，甚至?xí)a(chǎn)生錯誤。同時，諸如整流器和混頻器等許多功能電路就是要利用元件的非線性來實現(xiàn)的。此時，電路元件的非線性正是所需要的特性因此，研究非線性元件和電路具有重要的意義。非線性電阻線性電阻的伏安特性可用歐姆定律來表示，即v =Ri在v-i平面上它是通過坐標(biāo)原點的一條直線。非線性電阻的電壓電流不滿足歐姆定律，而是遵循某種特定的非線性函數(shù)關(guān)系。非線性電阻在電路中的符號電流控制型電阻若非線性電阻元件兩端的電壓是其電流的單值函數(shù)，這種電阻就稱為電流控制性電阻，它的伏安特性可用下列函數(shù)關(guān)系表示：對于每一個電流值i，有且只有一個電壓值v與之相對應(yīng)

4、；而對于某一電壓值，與之對應(yīng)的電流可能是多值的。如v=v0時，就有i1、i2和i3三個不同的值與之對應(yīng)。 電壓控制型電阻 若通過非線性電阻的電流是其兩端電壓的單值函數(shù)，這種電阻就稱為電壓控制型電阻，其伏安特性可用下列函數(shù)關(guān)系表示： 對于某一電流值，與之對應(yīng)的電壓可能是多值的。但是對于每一個電壓值v，有且只有一個電流值與之對應(yīng)。隧道二極管就具有這樣的伏安特性。 最常用的非線性電阻具有“單調(diào)型”伏安特性，即或是單調(diào)增長或是單調(diào)下降。最早發(fā)明的真空二極管（vacuum diodetube）或稱電子二極管就具有這樣的特性。加在燈絲兩端的直流電源A加熱燈絲，使燈絲金屬材料中的電子受熱得到動能逸出金屬形成

5、電子氣（electron gas）；加在由板狀金屬構(gòu)成的陽極和由燈絲金屬形成的陰極上的直流電源B在管內(nèi)兩極間的真空中形成上正下負(fù)的電場；陰極金屬周圍逸出的電子在電場作用下產(chǎn)生高速運動飛向陽極，被陽極收集后流向外電路，形成陽極電流Ia。由于其非對稱結(jié)構(gòu)、外加電壓方向性和電子運動的力學(xué)特性的影響，電子二極管的I-V特性為式中C為與管子幾何參數(shù)有關(guān)的一個常數(shù)。這就是著名的Child-Langmuir定律?！皢握{(diào)型”非線性電阻與電子二極管I-V特性的3/2方率不同，下一章將要討論的PN結(jié)二極管則具有如下的指數(shù)率特性： 式中iS為以一常數(shù)，稱為反向飽和電流， q 是電子的電荷，等于1.610-19C，

6、k是波爾茲曼常數(shù)，等于1.3810-23J/K，T為熱力學(xué)溫度。二極管上的電壓PN結(jié)二極管的伏安特性曲線二極管等許多非線性電阻具有單向性。當(dāng)加在非線性電阻兩端的電壓大小相等而方向不同時，流過它的電流完全不同，故其特性曲線不對稱于原點。在工程中，非線性電阻的單向?qū)щ娦砸杂脕韺崿F(xiàn)整流功能靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻非線性電阻元件在某一工作狀態(tài)下(如右圖中P點)的靜態(tài)電阻等于該點的電壓值與電流值之比，即顯然P點的靜態(tài)電阻正比于tan。非線性電阻元件在某一工作狀態(tài)下(如右圖中P點)的動態(tài)電阻Rd的等于該店的電壓v對電流i的導(dǎo)數(shù)值顯然P點的動態(tài)電阻正比于tanb“負(fù)電阻”特別要說明的是，對于右圖中所示伏安特性曲線

7、的負(fù)斜率段，其動態(tài)電阻為負(fù)值，因此具有“負(fù)電阻”的性質(zhì)。舉例設(shè)有一個非線性電阻元件，其伏安特性為v=f(i)=100i+i3(1)試分別求出i1=5A，i2=10A，i3=0.01A，i4=0.001A 時對應(yīng)的電壓v1、v2、v3、v4的值；(2)試求i=2cos(314t)A時對應(yīng)的電壓的值(3)設(shè)v12=f(i1+i2)，試問v12是否等于(v1+v2) ？例題求解(1) i1=5A時, v1=1005+53=625V i2=10A時, v2=10010+103=2000V i3=0.01A時, v3=1000.01+(0.01)3=(1+10-6)V i4=0.001A時, v4=10

8、00.001+(0.001)3=(0.1+10-9)V從上述計算可以看出，如果把這個電阻作為100W的線性電阻，當(dāng)電流不同時，引起的誤差不同，當(dāng)電流值較小時，引起的誤差不大。 例題求解(2)(2)當(dāng)i=2cos(314t)A時,v=1002cos(314t)+8 cos3(314t) = 206cos(314t)+2 cos (942t)V 電壓中含有3倍于電流頻率的分量，所以利用非線性電阻可以產(chǎn)生頻率不同于輸入頻率的輸出(這種作用稱為“倍頻”)。例題求解(3)假設(shè)v12=f(i1+i2)，則 一般情況下， (i1+i2) 0，因此有所以疊加定理不適用于非線性電路。非線性電阻元件串聯(lián)或并聯(lián)當(dāng)非

9、線性電阻元件串聯(lián)或并聯(lián)時，只有所有非線性電阻元件的控制類型相同，才有可能得出其等效電阻伏安特性的解析表達(dá)式。如果把非線性電阻串聯(lián)或并聯(lián)為一個單端口網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)絡(luò)端口的電壓電流關(guān)系被稱為此端口的驅(qū)動點特性。兩個非線性電阻的串聯(lián)對于兩個非線性電阻的串聯(lián)，設(shè)它們的伏安特性分別為v1=f1(i1)，v2=f2(i2)，用v=f (i) 表示此串聯(lián)電路的端口伏安特性，根據(jù)KCL和KVL，有將兩個非線性電阻的伏安特性代入KVL有根據(jù)KCL對所有，則有這表示，其驅(qū)動點特性為一個電流控制的非線性電阻，因此兩個電流控制的非線性電阻串聯(lián)組合的等效電阻還是一個電流控制的非線性電阻， 圖解方法分析非線性電阻的串聯(lián)電路

10、兩個非線性電阻的并聯(lián)電路按KCL和KVL有 設(shè)兩個非線性電阻均為電壓控制型的，其伏安特性分別表示為由并聯(lián)電路組成的單端口的驅(qū)動點特性用來表示。利用以上關(guān)系，可得所以此單端口的驅(qū)動點特性是一個電壓控制型的非線性電阻。如果并聯(lián)的非線性電阻中有一個不是電壓控制的，就得不出以上的解析式。，分析非線性電阻并聯(lián)電路的圖解法用圖解法來分析非線性電阻的并聯(lián)電路時，把在同一電壓值下的各并聯(lián)非線性電阻的電流值相加，即可得到所需要的驅(qū)動點特性。線性電阻、電流電壓源和非線性電阻組成的電路分析線性電阻R0和電壓源V0的串聯(lián)組合可以是一個線性一端口的戴維寧等效電路?！扒€相交法”：應(yīng)用KVL，得方程 此方程可以看作是圖中

11、虛線方框所示一端口的伏安特性。它在v-i平面上是一條直線。設(shè)非線性電阻R的伏安特性可表示為直線與此伏安特性曲線的交點同時滿足式 和 所以有 交點稱為電路的靜態(tài)工作點，它就是左圖所示電路的解。在電子電路中直流電壓源通常表示偏置電壓，R0表示負(fù)載，故直線有時稱為負(fù)載線。 非線性電容線性電容是一個二端儲能元件，其電壓與電荷的關(guān)系由庫伏特性表示，是一條通過坐標(biāo)原點的直線，如果一個電容元件的庫伏特性不是一條通過坐標(biāo)原點的直線，這種電容就是非線性電容。非線性電容的電路符號和特性曲線。壓控電容與荷控電容如果一個非線性電容元件的電荷、電壓關(guān)系可表示為 q=f(v)即電荷可用電壓的單值函數(shù)來表示，則此電容被稱為

12、電壓控制電容。如果電荷電壓關(guān)系可表示為v=h(q)即電壓可用電荷的單值函數(shù)來表示，則此電容被稱為電荷控制電容。靜態(tài)電容和動態(tài)電容非線性電容也可以是單調(diào)型的，即其庫伏特性在Q-V平面上是單調(diào)增長或單調(diào)下降的。有時引用靜態(tài)電容C和動態(tài)電容Cd的概念，定義：顯然，在圖中P點的靜態(tài)電容正比于tan，P點的動態(tài)電容正比于tan。非線性電容C的SPICE定義格式CXXX N+ N- POLY C0 C1 C2 C0 C1 C2 是多項式的系數(shù)。即電容值為：VALUE= C0+C1V+C2V 2 + 非線性電感電感也是一個二端儲能元件，其特征是用磁通鏈與電流之間的函數(shù)關(guān)系或韋安特性表示的。如果電感元件的韋安

13、特性不是一條通過原點的直線，這種電感元件就是非線性電感元件。圖中在電感的符號上畫了一個 形表示非線性。v磁控電感與流控電感如果非線性電感的電流與磁通鏈的關(guān)系表示為則此電感被稱為磁通鏈控制型電感。如果電流與磁通鏈的關(guān)系表示為就此電感被稱為電流控制型電感。非線性電感的特性曲線靜態(tài)電感L和動態(tài)電感Ld同樣為了計算上的方便，也引用靜態(tài)電感L和動態(tài)電感Ld的概念：在圖中P點靜態(tài)電感正比于tan，動態(tài)電感正比于tan單調(diào)型非線性電感與磁滯回線非線性電感也可以是單調(diào)型的，即其韋安特性在平面上是單調(diào)增長或單調(diào)下降的。不過大多數(shù)實際非線性電感元件包含鐵磁材料制成的芯子，與鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象的影響，它的特性曲線具

14、有回線形狀鐵磁材料的特性曲線帶磁性材料線圈的大信號磁化曲線非線性電感L的SPICE定義格式LXXX N+ N- POLY L0, L1, L2 L0, L1, L2 為元件多項式的系數(shù)。即電感值為：VALUE= L0+L1*I+L2*I 2 + 非線性電路的方程在電路的分析與計算中，由于基爾霍夫定律對于線性電路(linear circuit)和非線性電路(non-linear circuit)均適用，所以線性電路方程(linear circuit equations)與非線性電路方程(non-linear circuit equations)的差別僅僅體現(xiàn)在元件特性上。對于非線性電阻電路列出的

15、方程是一組非線性代數(shù)方程(non-linear algebraic equations) ，而對于含有非線性儲能元件(non-linear energy-storage element)的動態(tài)(dynamic)電路列出的方程是一組非線性微分方程(non-linear differential equations) 。非線性電阻電路求解舉例如圖電路，已知R1=3，R2=2，VS=10V，iS=1A，非線性電阻的特性是壓控型的，i=v2+v ，試求v。解 應(yīng)用KCL有對于回路1應(yīng)用KVL，有將i1= i+is和i= v2+v代入上式，得電路方程為5v2+6v-8=0解得 v=0.8V,和v”=-2

16、V 可見，非線性電路的解可能不是唯一的。計算二極管電路的方法 由圖可知 (2.5)(2.6)將式(2.5)代入式(2.6)，得(2.7)計算二極管電路的方法雖然 中只有一個未知數(shù)I，但這個I既在指數(shù)里面，又在指數(shù)外面，是一個超越方程式，不大好解。若將式(2.6)代入式(2.5)，也可得(2.8)同樣是一個超越方程式，求解一樣麻煩?？磥恚鈭D2.10那樣的電路。需要求解一個方程式(2.9)需要指出，能映射到自身的那個點就是方程之解。數(shù)學(xué)上稱該點為不動點，有一整體理論研究它。這里當(dāng)然不可能介紹。從電路角度，廣泛使用的有兩種方法：圖解法和迭代法。計算二極管電路的圖解法 如圖2.11, 將式(2.5

17、)和(2.6)畫在同一個(I, vab)平面上,可以進(jìn)行圖解。圖中，式(2.5)是一條斜率為1/R、并通過vabe，I0點的直線。式(2.6)是二極管伏安特性。顯然，兩條線的交點同時滿足式(2.5)和(2.6)，是電路解。由此可得vab值和電流I之值。然而，圖解法不可能獲得精確解，只能用于定性分析，幫助理解有關(guān)概念。 迭代法 為了實施迭代法，必須首先將式(2.5)改寫成(2.10)將式(2.8)代入上式有(2.11)以便同式(2.6)一致。然后，我們?nèi)我饧僭O(shè)一個uab值，作為迭代的初值，代入(2.9)式，求得電流I。再把這個I 代入式(2.6)，計算出新的vab值，作為下一步迭代的值，再次代入

18、(2.5)式，求I。再把這個I代入(2.6)，又得到一個新的uab值，以此類推，不斷地迭代下去。最后將收斂到兩條曲線的交點上，如圖所示。迭代過程 迭代次數(shù)也許要很多，甚至達(dá)到無限，但如果給出了允許誤差，當(dāng)兩次迭代值已充分地接近，就可以認(rèn)為收斂，結(jié)束迭代。這樣，迭代次數(shù)將是有限的。仔細(xì)觀察圖中的迭代路線，不難發(fā)現(xiàn)。如果迭代路線搞反了，迭代進(jìn)程將發(fā)散。所以，迭代方法很有講究。二極管電路不滿足疊加定理的圖解說明 現(xiàn)在可以回過頭討論非線性電路是否滿足疊加定理。圖2.12明顯地指出，在e1作用下，二極管電流為I1，在e2作用下，二極管電流為I2，(e1e2)聯(lián)合作用下，所產(chǎn)生的電流I大于(I1I2)，故

19、非線性電路不滿足疊加定理。但若R很大，整個電壓幾乎全降在R上，二極管上的電壓足夠得小，則二極管就近似為線性電阻，整個電路就滿足疊加定理。這就意味著在一個復(fù)雜的，含有非線性元件的電路里，只要滿足一定條件，仍有可能滿足疊加定理。 含非線性動態(tài)元件電路對于含有非線性動態(tài)元件的電路，通常選擇非線性電感的磁通鏈非線性電容的電荷為電路的狀態(tài)變量，根據(jù)KCL、KVL列寫的方程是一組非線性微分方程。非線性電容的電路求解舉例 如圖含非線性電容的電路，其中非線性電容的庫伏（Q-V）特性為：v=0.5kq2 試以q為電路變量寫出微分方程。解 以電容電荷q為電路變量，有 應(yīng)用KCL，有 因此，得一階非線性微分方程 可

20、以利用計算機(jī)應(yīng)用數(shù)值法來求得數(shù)值解。 小信號分析法小信號分析法是電子工程中分析非線性電路的一個重要方法。通常在電子電路中遇到的非線性電路，不僅有直流偏置電壓V0的作用，同時還會有時變的輸入電壓作用。假設(shè)在任何時刻有vs(t) V0 ，則把vs(t)稱為小信號電壓。分析此類電路，就可采用小信號分析法。小信號分析法舉例右上圖所示電路中，直流電壓源V0為偏置電壓，電阻R0為線性電阻，非線性電阻是電壓控制型的，其伏安特性為i = g(v)，右下圖為其伏安特性曲線。小信號時變電壓為vs(t)，且 總成立。現(xiàn)在待求的是非線性電阻電壓v(t)和電流i(t)。小信號分析法基本思想（1）首先應(yīng)用KVL列出電路方

21、程V0+vs(t)=R0i(t)+v(t)當(dāng)vs(t)=0時，即電路中只有直流電壓源作用時，負(fù)載線 與非線性電阻伏安特性曲線的交點Q(VQ, IQ)即電路的靜態(tài)工作點。在vs(t)V0的條件下，電路的解v(t)和i1(t)必在工作點(VQ, IQ)附近，所以可以近似地把v(t)和i (t)寫為v (t) =VQ+v1(t) i(t)=IQ+i1(t)式中v1(t)和i1(t)是由于信號vs(t)在工作點(VQ, IQ)附近引起的偏差。在任何時刻t， v1(t)和i1(t)相對于VQ和IQ都是很小的量。小信號分析法基本思想（2）考慮到給定非線性電阻的特性，從以上兩式得由于v1(t)很小，可以將上

22、式右端在Q點附近用泰勒級數(shù)展開，取級數(shù)前面兩項而略去一次項以上的高次項，則上式可寫為由于IQ=g(VQ)，故從上式得小信號分析法基本思想（2）又因為 為非線性電阻在工作點(VQ, IQ)處的動態(tài)電導(dǎo)，所以有由于 在工作點(VQ, IQ)處是一個常量，所以從上式可以看出，由小信號電壓產(chǎn)生的vs(t)產(chǎn)生的v1(t)和電流i1(t)之間的關(guān)系是線性的 。這樣， V0+ vs(t)=R0 i(t)+v(t) 可改寫為 V0+ vs(t)=R0IQ+ i1(t)+VQ+ v1(t) 但是V0=R0IQ+VQ，故得 非線性電阻在靜態(tài)工作點處的小信號等效電路又因為在工作點(VQ, IQ)處，有v1(t)=

23、Rdi1(t)，代入上式，最后得 vs(t)=R0i1(t)+Rdi1(t)上式是一個線性代數(shù)方程，由此可以做出給定非線性電阻在靜態(tài)工作點(VQ, IQ)處的小信號等效電路于是求得小信號分析法的步驟求解非線性電路的靜態(tài)工作點。求解非線性電路的動態(tài)電導(dǎo)或動態(tài)電阻。作出給定的非線性電阻在靜態(tài)工作點處的小信號等效電路。根據(jù)小信號等效電路求解小信號電壓電流。非線性電路求解舉例非線性電阻為電壓控制型，用函數(shù)表示則為 而直流電壓源VS=6V，R=1，信號源is(t)=0.5cos( t)A，試求在靜態(tài)工作點處由小信號所產(chǎn)生的電壓和電流 非線性電路求解(1)解 對圖應(yīng)用KCL和KVL有 i=i0+is， v

24、=VsRi0整理后即得先求電路的靜態(tài)工作點，令is(t)=0，則 v2+v6=0 解得v=2和v= 3，而v= 3不符合題意，故可得靜態(tài)工作點 ，(2) 求解非線性電路的動態(tài)電導(dǎo)，靜態(tài)工作點處的動態(tài)電導(dǎo)為非線性電路求解(2)(3)作出給定非線性電導(dǎo)在靜態(tài)工作點處的小信號等效電路,則有 故得分段線性優(yōu)化方法分段線性優(yōu)化方法(又稱折線法)是研究非線性電路的一種有效方法，它把非線性的求解過程分成幾個線性區(qū)段，然后對每個線性區(qū)段應(yīng)用線性電路的計算方法求解。應(yīng)用分段線性方法時，為了畫出單端口網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動點特性曲線，常引用理想二極管模型。它的特點是，在電壓為正向時，二極管完全導(dǎo)通，它相當(dāng)于短路；在電壓反向時

25、，二極管不導(dǎo)通，電流為零，它相當(dāng)于開路，其伏安特性如圖所示。PN結(jié)二極管伏安特性一個實際二極管的模型可由理想二極管和線性電阻串聯(lián)組成，其伏安特性可用圖中的折線 近似地逼近，當(dāng)這個二極管加上正向電壓時，它相當(dāng)于一個線性電阻，其伏安特性用直線 表示；當(dāng)電壓反向時，二極管完全不導(dǎo)通，其伏安特性用直線 表示。舉例1圖 (a)所示電路由線性電阻R，理想二極管和直流電壓源串聯(lián)組成。電阻R的伏安特性如圖 (b)所示，畫出此串聯(lián)電路的伏安特性。解 (1)各元件的伏安特性如圖 (b)所示，電路方程為圖解法求得圖 (c)中的折線 舉例2線性電阻R和理想二極管與直流電流源并聯(lián)，如右上圖所示，畫出此并聯(lián)電路的伏安特性

26、解:電路方程為由于當(dāng)v0時，用圖解法求得的伏安特性如圖中的折線 所示 隧道二極管伏安特性的三段直線逼近圖中的虛線為隧道二極管的伏安特性，此特性可用圖示的三段直線來粗略地表示。假設(shè)這三段直線的斜率分別為隧道二極管伏安特性三段直線的分解其中V1和V2確定了這三個區(qū)域，而V1和V2為轉(zhuǎn)折點的電壓值。隧道二極管伏安特性可以分解為三個伏安特性，即圖中的直線 ，折線 和 ，并設(shè)圖中有關(guān)直線段的斜率分別為G1，G2和G3，根據(jù)非線性電阻(或電導(dǎo))并聯(lián)的圖解法原則，就可以確定出， ， 左圖所示電路是一個分段線性RC電路，其中虛線框部分為一端口網(wǎng)絡(luò)N，它的驅(qū)動點特性如右圖所示，端口處電壓電流關(guān)系為方程的解隨著時

27、間的變化將沿著N的驅(qū)動點特性曲線(端口伏安特性)移動，移動的方向由上式確定若動態(tài)點在v-i平面的下半平面，則該點只能從初始位置沿著動態(tài)路徑向右移動若動態(tài)點的路徑在v-i平面的上半平面，則該點只能沿著動態(tài)路徑向左移動上圖中如果初始位置位于Q2，隨著時間的增長，它應(yīng)當(dāng)向A點移動，但到達(dá)A點后便不能再沿著 線段繼續(xù)移動了，因為方向不對了；如果初始位置位于Q1，則動態(tài)點到達(dá)C點后也不能再繼續(xù)前進(jìn)。A和C點電流值非零，因此A點和C點均不對應(yīng)最終的平衡點或穩(wěn)態(tài)。為解決上述問題，考慮電路中存在的微小的串聯(lián)電感：當(dāng)動態(tài)點從P0到達(dá)P1時，由于電感電流不能突，故dv/dt不能突變，v電壓增大，因此v只能從P1前

28、進(jìn)到P2，當(dāng)動態(tài)點到達(dá)P3后，它將從P3前進(jìn)到P4。動態(tài)路徑如左圖中箭頭所示。從P1到P2(或從P3到P4)所需時間隨電感L值的減小而減小，當(dāng)電感L的值趨近于零時，可以認(rèn)為動態(tài)點從P1(P3)“跳躍”到P2(P4)，此時，電路中發(fā)生躍變的是電流值。動態(tài)路徑將如下圖中箭頭所示。這個電路能產(chǎn)生周期性變化的電壓和電流，所以它具有產(chǎn)生振蕩信號的功能。因為產(chǎn)生的電壓或電流波形與正弦波相差甚大，故這種振蕩被稱為張弛振蕩，振蕩周期等于從P2到P3的時間和從P4到P1的時間之和。從左圖中可以看出除了從初始點P0到P1這個過渡階段，動態(tài)路徑是閉合的。這說明電路中的電壓和電流從初始狀態(tài)開始經(jīng)短暫時間后，就將進(jìn)入周

29、期性變化狀態(tài)電路與電子線路基礎(chǔ)(電子線路部分）Fundamental Electric and Electronic Circuits第2章 半導(dǎo)體PN結(jié)與二極管 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的固體，如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs、磷化銦InP等?；瘜W(xué)元素周期表中，半導(dǎo)體元素通常處于IV族對于半導(dǎo)體中常用的硅和鍺，它們原子的最外層電子都是4個，即有4個價電子。硅或鍺晶體的四個價電子分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它們在物理結(jié)

30、構(gòu)上呈單晶體形態(tài)，稱為單晶，例如硅的單晶體稱之為單晶硅。單晶是制造半導(dǎo)體的基本材料。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。單晶通常采用單晶爐進(jìn)行拉制：拉單晶半導(dǎo)體的特點當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。正因這些特點，才有可能應(yīng)用半導(dǎo)體制造出各種固體器件。其中雜質(zhì)對半導(dǎo)體電氣特性的影響尤為嚴(yán)重，這一特點也正是物理學(xué)家所看中的。本征激發(fā)產(chǎn)生的電子與空穴 當(dāng)處于熱力學(xué)溫度0 K時，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電

31、，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)(也稱熱激發(fā))。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴(hole)。 因激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，電子和空穴的復(fù)合本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在本征半導(dǎo)體材料上施加電壓時，因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴將在電場作用下產(chǎn)生定向運動。自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。此時的自由電子和空穴稱之為本征載流子單晶硅在室溫下因熱激發(fā)所產(chǎn)生

32、的本征載流子濃度約為ni= 1010 cm-3由于本征載流子濃度很小，本征半導(dǎo)體的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬：金屬：10-5 cm半導(dǎo)體：10-2109 cm 摻雜對導(dǎo)電率的影響如果在單晶硅中摻入了極少量的銻元素：1010 Sb原子/cm3(這個數(shù)量與阿伏加德羅常數(shù)相比，確實是非常非常小)，導(dǎo)電電子濃度n就從1010 cm-3增加到1015 cm-3，增加了5個數(shù)量級，使硅的電阻率從2105 -cm降低到5 -cm，也是5個數(shù)量級。這樣大的變化范圍是別的材料所無法提供的。N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代。磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相

33、鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子。這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。由于摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子(多子)空穴稱為少數(shù)載流子(少子)。人們把五價摻雜、以電子為載流子的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。+4+4+5+4+4+4+5+4+4+4+5+4多余電子磷原子P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可

34、能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。由于摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠(yuǎn)大于電子濃度。此時,空穴稱為多數(shù)載流子(多子)自由電子稱為少數(shù)載流子(少子)。人們把三價摻雜、以空穴為載流子的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的變換假設(shè)在N型半導(dǎo)體中再摻入與原來五價摻雜相同濃度的三價雜質(zhì)，那么原五價雜質(zhì)產(chǎn)生的多余電子將會去占領(lǐng)三價雜質(zhì)所造成的空穴，正好相互補償，N型半導(dǎo)體就變?yōu)楸菊靼雽?dǎo)體。如果后來添加的三價雜質(zhì)的濃度比原來的五價的高，那么，合成的半導(dǎo)體將變成P型。同理，在P型半導(dǎo)體中再摻入與原來三價摻雜相同濃度的五價雜

35、質(zhì)，那么原三價雜質(zhì)所造成的空穴正好由五價雜質(zhì)產(chǎn)生的多余電子去填充，補償成為本征半導(dǎo)體。如果后來添加的五價雜質(zhì)的濃度超過原來三價的，則合成的半導(dǎo)體就是N型的。可見，雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是重大的，它不僅可以控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，還可以更改導(dǎo)電性能，更換載流子。 PN結(jié)PN結(jié)是絕大多數(shù)固體電子器件的基礎(chǔ)。所謂PN結(jié)是指：在一塊單晶上P型區(qū)與N型區(qū)之間的交界地帶，并不是僅僅把兩塊不同類型的半導(dǎo)體單晶壓合在一起。因為表面粗糙，有氧化膜和晶體的不完整性，妨礙了它們之間的緊密接觸。故必須以單晶形式在同一晶格中從P型過渡到N型，保證緊密接觸，形成整體的PN結(jié)。PN結(jié)的動態(tài)平衡 在這個整體中，P側(cè)的多數(shù)載

36、流子即空穴將超越邊界向N區(qū)擴(kuò)散，留下不能移動的負(fù)離子；同時，N側(cè)的多數(shù)載流子電子，也將超越邊界向P區(qū)擴(kuò)散，留下不能移動的正離子。這些正、負(fù)離子在結(jié)處產(chǎn)生了電場，阻礙了雙方載流子的進(jìn)一步相互擴(kuò)散。載流子的運動實際上受兩種因素的支配，濃度差引起的擴(kuò)散運動和電場作用下載流子的漂移運動。所謂阻礙雙方載流子的進(jìn)一步相互擴(kuò)散，實際上是指，既有擴(kuò)散過去的，也有漂移回來的。 內(nèi)建電場形成的電位勢壘 動態(tài)平衡后，擴(kuò)散過去的空穴或電子正好與漂移回來的空穴與電子相等，沒有純電子流或空穴流越過結(jié)。這就意味著，在內(nèi)建電場驅(qū)動下，兩種載流子的漂移所產(chǎn)生的電流正好同兩種擴(kuò)散電流相抵消。平衡時純電流為0，結(jié)內(nèi)有電場，結(jié)的兩側(cè)

37、有電位差，形成電位勢壘。所以，在平衡條件下能擴(kuò)散過去的只是那些能量足以克服電位勢壘的多數(shù)載流子，能漂移回來的也只是那些有機(jī)會進(jìn)入結(jié)區(qū)，獲得電場加速的少數(shù)載流子，平衡實際上是這兩種載流子的平衡。PN結(jié)的正向偏置 當(dāng)外電壓加到PN結(jié)上，如果P區(qū)和N區(qū)本身的電壓降可以忽略不計，這個外電壓就落到了PN結(jié)上，與內(nèi)部的電位差迭加。假設(shè)外電壓是正向偏置，即P側(cè)接正極，N側(cè)接負(fù)極。這樣的極性正好與內(nèi)建的電位差相反，降低了電位勢壘，使更多的多數(shù)載流子能擴(kuò)散過去，增大了擴(kuò)散電流。另一方面，降低了電位勢壘，就減弱了結(jié)區(qū)電場，減少了少數(shù)載流子的漂移電流。正向擴(kuò)散電流顯然大于反向漂移電流，出現(xiàn)了不平衡，純電流大于0。二

38、極管正向偏置而正向?qū)ǖ那闆r 當(dāng)然，這種不平衡是由外電壓引起的。上圖表示正向偏置時，勢壘降低而正向?qū)ǖ那闆r。因為能有足夠的能量爬上電位勢壘的載流子數(shù)目隨勢壘高度呈指數(shù)率增加，勢壘的降低將使更多數(shù)載流子擴(kuò)散急劇地增長，故正向電流迅速增加。PN結(jié)的反向偏置 如果外電壓是反向偏置，即P側(cè)接負(fù)極，N側(cè)接正極。這樣的極性正好與內(nèi)建電位差相同，增高了電位勢壘，使具有足夠的能量克服勢壘的多數(shù)載流子急劇減少，擴(kuò)散電流大幅減小。相反，勢壘的升高使結(jié)區(qū)內(nèi)電場增強(qiáng)，增大了少數(shù)載流子的漂移電流。顯然，這時正向電流將小于反向電流，純電流是負(fù)向的。但是隨著反向偏置電壓的增大，有可能爬過勢壘擴(kuò)散過去的多數(shù)載流子為數(shù)不多，

39、因而也不可能有很多的少數(shù)載流子漂移回來，反向漂移電流將趨飽和，并基本上與所加的反向電壓大小無關(guān)。 反向偏置的PN結(jié) 上圖是反向偏置時，勢壘升高，反向?qū)娏骱苄〉氖疽鈭D。 PN結(jié)的伏安特性 實驗證明，反向電壓只要超過0.1伏，結(jié)的純電流幾乎完全由少數(shù)載流子組成，反向電流達(dá)到飽和這個電流常稱為反向飽和電流Is。由于少數(shù)載流子密度遠(yuǎn)比多數(shù)載流子小，故反向電流遠(yuǎn)比正向電流小。如果標(biāo)尺沒有放大的話，可以近似地認(rèn)為PN結(jié)正向是導(dǎo)通的，反向是截止的。標(biāo)尺放大以后可以看到，反向還有一個反向飽和電流Is。二極管模型不言而喻，PN結(jié)本身就是一個半導(dǎo)體二極管。二極管的伏安特性就是PN結(jié)的伏安特性。 根據(jù)前面的討論

40、可知，二極管電流是由正向的擴(kuò)散電流與反向的漂移電流組成的。 (2.1)其中擴(kuò)散電流是指數(shù)率的，可以寫成 (2.2)式中A是平衡時的擴(kuò)散電流值，q是電子電荷，v是外加電壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，等于1.3810-23 J/K，T是絕對溫度K。 二極管的伏安特性漂移電流是反向的，其值在飽和的情況下為Is，將Is和式(2.2)代入式(2.1)，得(2.3)若v = 0。無外加電壓，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，則純電流為0，得 即代入式(2.3)，得(2.4)這就是二極管的伏安特性。PN結(jié)電容效應(yīng)勢壘電容（Barrier Capacitance）PN結(jié)正偏增加時，一部分多子在擴(kuò)散過程中與空間電荷層中的離子中和，于

41、是，形成勢壘的正負(fù)離子數(shù)量減小，如上圖所示，空間電荷區(qū)變薄，勢壘變低。如果把勢壘區(qū)視為一個電容，則相當(dāng)于電容放電PN結(jié)正偏減小或負(fù)偏增加時，如上圖所示，形成勢壘的正負(fù)離子數(shù)量增加，空間電荷區(qū)變厚，勢壘變高，則相當(dāng)于電容充電勢壘區(qū)內(nèi)由于沒有可移動的電荷，具有電容介質(zhì)的特性。因此，PN結(jié)在未正向?qū)ǖ臓顟B(tài)下，就相當(dāng)于一個介質(zhì)厚度隨電壓變化的平板電容。由于這個電容反映的是勢壘（barrier)的特性，故通常被稱之為勢壘電容CB。勢壘電容大小與PN結(jié)的面積成正比，與空間電荷層的寬度L成反比。PN結(jié)反偏時，L很大，因而CB很小；而PN結(jié)正偏時，L很小，因而CB大。此外，勢壘寬度隨外加電壓而改變，因此，C

42、B是電壓的函數(shù)。CB隨電壓變化的函數(shù)是CB0-外加反向電壓V=0時的結(jié)電容。m-電容變化指數(shù)，其值取決于PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律，對于緩變結(jié)，m值等于1/3；對于突變結(jié)，m值等于1/2；對于超突變結(jié)，m值在15之間。VD-PN結(jié)的內(nèi)建電勢PN結(jié)的擴(kuò)散電容（Diffusion Capacitance）PN結(jié)正向偏置將形成大量的多子擴(kuò)散。從PN結(jié)一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)的多子被稱為非平衡少數(shù)載流子，簡稱為非平衡少子。距PN結(jié)越遠(yuǎn)，非平衡少數(shù)載流子的濃度越低，因而存在濃度梯度。正向電流增大時，非平衡少子的濃度梯度增大。在P區(qū)及N區(qū)都會有非平衡少子的積累；正向電流減小時，非平衡少子的濃度梯度減小，積累在P區(qū)及N區(qū)

43、中的非平衡少子數(shù)量減少。PN結(jié)兩端電壓變化引起電量變化的這種電容效應(yīng)被稱為擴(kuò)散電容CD。若PN結(jié)兩端電壓變化V，引起電量變化Q，則與勢壘電容一樣，擴(kuò)散電容亦隨外加電壓改變而改變，屬于非線性電容。PN結(jié)的總電容PN結(jié)電容Cj是勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD之和，即Cj=CB+CDPN結(jié)正偏時，積累的非平衡少數(shù)載流子隨外加電壓增大而增大得快，擴(kuò)散電容大，Cj一般以CD為主。PN結(jié)反偏時，少數(shù)載流子數(shù)量很少，擴(kuò)散電容很小，一般可以忽略，Cj則近似等于CB。這時，PN結(jié)的結(jié)電容雖然很小，但結(jié)電阻卻很大，因此，結(jié)電容的容抗隨工作頻率提高而降低會削弱反向結(jié)電阻對反向電流的影響，從而使PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦宰儾睢?/p>

44、二極管電容效應(yīng)的影響電容效應(yīng)的存在影響電路高頻性能；PN結(jié)外加反向電壓時，主要是一個由勢壘電容構(gòu)成的較理想的電容器件；可制成變?nèi)荻O管。二極管的零級模型 理想二極管的基本行為由左上圖表示，是單向?qū)ㄔ?。凡是v 0，就有電流通過，凡是v 0管子不通。如果將理想二極管同交流電壓源串聯(lián)，則正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，故通過二極管的電流只是半波正弦。二極管的一級模型是一種折線近似。二極管的一級模型 指數(shù)曲線用折線近似后，可得一個初始電壓E0和一個線性電阻RD。二極管內(nèi)的其它串聯(lián)電阻，包括P區(qū)和N區(qū)本身的體電阻，引線電阻等都可以合并到RD中。圖中D是理想二極管，它保證了等效電路是單向?qū)ǖ摹６O管的二級模

45、型 二極管直接采用指數(shù)方程式，并考慮結(jié)電容和串聯(lián)電阻，如圖所示。由于等效電路的基本關(guān)系較為復(fù)雜，一般僅用于需要精確計算的場合，并采用計算機(jī)方法來計算。半導(dǎo)體器件的SPICE語句描述方式 迄今為止所列的元件通常只需要幾個參數(shù)就可以完全確定它們的電特性。但是，本章介紹的二極管D與后面幾章要討論的雙極性三極管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）、金屬-半導(dǎo)體結(jié)場效應(yīng)管MESFET和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）等半導(dǎo)體器件的電性能則需要幾十到上百個參數(shù)才能較為精確地加以描述。此外，電路中的許多器件常常用一套器件模型參數(shù)來進(jìn)行定義。因此，需要用一條獨立的模型語句.MODEL來定義一套器件

46、模型參數(shù)，并指定一個專用的模型名。然后，SPICE中的器件描述語句就可以引用這個模型名。采用這種方式，可以避免在每一條器件語句中都列出所有的器件模型參數(shù)。.MODEL （模型）語句模型語句的通用格式為：.MODEL MNAME TYPE(PNAME1=PVAL1,PNAME2=PVAL2,)例句:.MODEL MODE1 NPN BF=50, IS=1E-13, VBF=50.MODEL語句定義將被一個或多個器件應(yīng)用的一組模型參數(shù)。MNAME是模型名，TYPE是器件類型。SPICE內(nèi)建的器件模型TYPE說明D二極管NPNNPN雙極結(jié)型晶體管PNPPNP雙極結(jié)型晶體管NJFN溝道結(jié)型場效應(yīng)管PJ

47、FP溝道結(jié)型場效應(yīng)管NMOSN溝道MOS場效應(yīng)管PMOSP溝道MOS場效應(yīng)管二極管D的SPICE語句輸入格式 格式DXXX N+ N- MNAME N+和N-分別是D在電路中連接的正負(fù)節(jié)點。MNAME是模型名, AREA是面積因子, 如果省去面積因子，默認(rèn)值為1.0。OFF表示DC分析時器件的一個起始條件。當(dāng)瞬態(tài)分析想從靜態(tài)工作點外的一個某處開始時，IC=VD的可選初始條件描述將與.TRAN語句中的UIC選項一起應(yīng)用。例句：DBRIDGE 2 10 DIODE1DCLMP 3 8 DMOD 3.0 IC=0.2二極管的SPICE參數(shù)定義 參數(shù)名說明單位默認(rèn)值舉例面積1IS飽和電流A10-141

48、0-14*2RS串聯(lián)電阻W010*3N發(fā)射系數(shù)-11.04TT渡越時間S00.1Ns5CJO零偏結(jié)電容F02PF*6VJ結(jié)電位V10.67M梯度系數(shù)-0.50.58EG激活能量eV1.111.11(Si)0.67(Ge)二極管的SPICE參數(shù)定義（續(xù)）參數(shù)名說明單位默認(rèn)值舉例面積9XTI飽和電流溫度指數(shù)-3.03.010KF閃爍噪聲系數(shù)-011AF閃爍噪聲指數(shù)-112FC正偏耗盡層電容系數(shù)-0.513BV反向擊穿電壓V40.014IBV擊穿電壓下的電流A10-3二極管的應(yīng)用整流電路用二極管的單向?qū)щ娦?，可以將交流電變成直流電，實現(xiàn)所謂整流（rectification）的功能。完成整流功能的電路

49、稱為整流電路(rectifier circuit)或整流器（rectifier）。按電路形式區(qū)分，整流電路有半波(half-wave)整流電路、全波(full-wave)整流電路橋式(bridge)整流電路。半波整流電路交流電源電壓v1經(jīng)變壓器輸出電壓v2。變壓器的功能：實現(xiàn)變壓，由于通過磁場實現(xiàn)初次級的耦合，變壓器實現(xiàn)了整流電路及所接負(fù)載RL與交流電網(wǎng)的電氣“隔離”(isolation)，次級可以有一端與地線相連。這對安全用電非常重要。當(dāng)v2處在正半周時，D正向?qū)?，io=iD，電流從“上”至“下”流過RL；當(dāng)v2處在負(fù)半周時，D1反向截止，io=0。因此，流過負(fù)載的電流及負(fù)載兩端的電壓幅度

50、變化，但方向不變。瞬時值隨時間作周期性變化的電流和電壓被稱為單向脈動電流和單向脈動電壓。由于這種電流和電壓的方向不變，平均值不等于零，故含有直流分量。對于上面的半波整流電路，輸出電壓的直流分量改變半波整流中二極管D的方向，就可以得到同等幅值的負(fù)電壓。半波整流電路的優(yōu)點是電路簡單；缺點是只有半波得到利用，效率低，紋波大。全波整流電路交流電源電壓v1經(jīng)變壓器輸出v2和v2兩個幅度相等相位相反的電壓。當(dāng)v2處在正半周時，D1正向?qū)ǎ琲o=iD1，電流從“上”至“下”流過RL；此時，v2處在負(fù)半周，D2反向截止，iD2=0，對輸出不產(chǎn)生影響。當(dāng)v2處在負(fù)半周時，D1反向截止，iD1=0，對輸出不產(chǎn)生

51、影響；但此時v2處在正半周，D2正向?qū)?，io=iD2，電流仍從“上”至“下”流過RL。與半波整流電路的vo相比，所含直流分量增加了一倍，即全波整流電路的優(yōu)點是效率比半波整流提高了一倍，紋波降低了一倍。缺點有兩個，一是變壓器次級需要兩個對稱繞組；二是整流二極管的反向耐壓是兩倍的v2峰值，比半波整流高。全波整流電路的特點橋式整流電路當(dāng)v2處在正半周時，D2、D4反向截止，D1、D3正向?qū)?，io=iD1=iD3，電流從“上”至“下”流過RL；當(dāng)v2處在負(fù)半周時，D1、D3反向截止，D2、D4正向?qū)?，io=iD2=iD4。電流仍從“上”至“下”流過RL，因此，經(jīng)電路中D1、D3及D2、D4輪流導(dǎo)

52、通后，輸出得到了與全波整流相同的電流和電壓。與全波整流電路相比，橋式整流電路有兩個優(yōu)點：次級變壓器只需要一個繞組，制作相對簡單；整流二極管的反向耐壓要求低，與半波整流相同。因此，橋式整流電路在小型電子設(shè)備中使用較為廣泛。缺點：在整流工作中，始終有兩個二極管串聯(lián)導(dǎo)通，損失的電壓比全波整流高，不利于低電壓工作。橋式整流電路的特點整流器中的濾波電路 上述3種電路的整流電流都是直接作用到負(fù)載電阻RL上的，因此形成的輸出電壓與輸出電流波形完全一致，特點是波紋很大，與直流電相去很遠(yuǎn)。為了消除波紋，可以在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)一個大容量的電容器，形成一個低通濾波器，濾除波動的高頻分量，輸出直流分量。這里，通常采用

53、大容量的電解電容器。不過使用時要注意，電解電容器是有極性的，接反了會引起電容器發(fā)熱爆炸。 整流電路輸出的電壓與電池等直流電源相比，還有一個問題，就是輸出直流電壓隨輸入交流電壓有效值的改變而改變。因此除了濾波之外，整流電路之后通常需要接一個穩(wěn)壓電路，從而獲得一個不受電源電壓波動影響的、穩(wěn)定的直流電壓。簡單的穩(wěn)壓電路可以采用下面將要介紹的穩(wěn)壓（齊納）二極管來實現(xiàn)。2. 檢波電路在通信、廣播、電視及測量儀器中，常常采用二極管構(gòu)成檢波電路或稱檢波器（detector）。以無線電廣播（radio broadcasting）為例，為了使頗率較低的聲音信號能遠(yuǎn)距離傳輸，進(jìn)行幅度調(diào)制，得到的調(diào)幅波經(jīng)天線發(fā)送到

54、遠(yuǎn)方，被接收機(jī)天線接收后，經(jīng)放大，就可由檢波電路得到聲音信號。這個過程又被稱為解調(diào)。解調(diào)出的聲音信號再經(jīng)過放大推動揚聲器還原出聲音。二極管D利用其單向?qū)щ娦詫⒄{(diào)幅信號“整流”，此“整流”信號經(jīng)過后續(xù)的低通濾波器就可以形成攜帶聲音信息的電信號。3. 限幅電路在電子線路中，為了降低信號的幅度避免某些器件受大信號作用而損壞，往往利用二極管的導(dǎo)通和截止特性來限制信號的幅度。它常接在集成運算放大器的輸入端，限制輸入端電壓vi的幅度，以防止過高的信號電壓vi使集成運算放大器A損壞。Ri為集成運算放大器A輸入回路的等效電阻，被稱為輸入電阻。當(dāng)輸入信號電壓vi的幅值小于二極管的導(dǎo)通電壓時通常，Ri遠(yuǎn)大于R，因

55、此vivi，信號被集成運算放大器正常處理。當(dāng)輸入信號電壓vi的幅值過大，其瞬時值為正，且大于二極管的導(dǎo)通電壓時，D2導(dǎo)通；vi瞬時值為負(fù)，其絕對值又大于二極管的導(dǎo)通電壓時，D1導(dǎo)通。二極管D1或D2導(dǎo)通后，其兩端的電壓vi變化很小，約為士0.7V。這樣一來，當(dāng)輸入信號電壓vi的幅值過大時，vi的幅值被限制在一定的范圍內(nèi)，波形如下圖中的實線所示。由于vi的波形近似為vi削去了瞬時值大于+0.7V和小于-0.7V的那部分波形，所以也稱限幅電路為削波電路。特殊二極管齊納二極管齊納二極管的正向特性與普通二極管一致，但反向特性與一般二極管很不一樣。當(dāng)反向電壓達(dá)到某一特定值VZ后，發(fā)生齊納擊穿，反向電流急

56、劇增加。顯然這時反向電壓的微小變化均會引起反向電流的巨大變化?；蛘?，當(dāng)通過齊納二極管的反向電流有變化時，二極管上的電壓幾乎不變，這就意味著齊納二極管具有良好的穩(wěn)壓特性，管子兩端電壓穩(wěn)定在VZ值上。因此，齊納二極管主要工作在反向擊穿狀態(tài)。齊納二級管穩(wěn)壓電路的圖解 由于齊納二極管與電阻RS是串聯(lián)的，兩個元件的電壓的總和等于輸入電壓Vin。上圖指出，當(dāng)VinVZ時，齊納二級管尚未擊穿，沒有電流流過齊納二級管，故輸出電壓就等于輸入電壓，VO=Vin。 VinVO+-+-DRS齊納二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓特性 當(dāng)VinVZ時，齊納二極管擊穿，有電流流過二極管，該電流也通過電阻R，故兩條線的交點可以確定輸出電

57、壓，這時，輸出壓就近似等于VZ，上圖是齊納二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓特性。 肖特基結(jié)二極管SBD是以貴金屬A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因此，SBD也稱為金屬-半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢壘二極管。原理是：N型半導(dǎo)體中電子的逸出功要低于金屬中電子的逸出功在二者接觸后，電子從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散，使金屬帶上負(fù)電荷，半導(dǎo)體帶正電荷。由于金屬是理想的導(dǎo)體，負(fù)電荷只分布在金屬表面的薄層之中，其厚度僅為一個原子的大小。而對于N型半導(dǎo)體來說，失去電子的施主雜質(zhì)原子成為正離子，則分布在較大的厚度之中。最終形成空間電荷區(qū)、內(nèi)建電場和勢壘，并且耗盡層只在N型半導(dǎo)

58、體一邊。勢壘區(qū)中內(nèi)建電場方向由N型區(qū)指向金屬，隨著熱電子的發(fā)射，內(nèi)建場增加，與擴(kuò)散電流方向相反的漂移電流增大，最終達(dá)到動態(tài)平衡，在金屬與半導(dǎo)體之間形成一個接觸勢壘，即肖特基勢壘。肖特基結(jié)二極管SBD是一種熱載流子二極管。是近年來問世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可達(dá)到幾千毫安。這些優(yōu)良特性是其他二極管所無法比擬的。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見。發(fā)光二極管正向偏置的由GaAs, InP等多種

59、III/V族化合物形成的PN 結(jié)可以自發(fā)輻射紅外區(qū)光和可見光.這類器件稱之為 發(fā)光二極管 LED。 。半導(dǎo)體有源區(qū)（active region）中通常為空的導(dǎo)帶被流經(jīng)PN結(jié)的電子占據(jù)，當(dāng)這些電子與禁帶中的空穴重新結(jié)合時，便有光子產(chǎn)生，從而發(fā)出光。激發(fā)的光子的能量大約等于半導(dǎo)體本身導(dǎo)帶和禁帶的能量差Eg；因此光波長為其中，h是普朗克常數(shù)，c是光速 LED有面發(fā)光(surface emitting)和邊發(fā)光(edge emitting)兩種結(jié)構(gòu)下圖是一個面發(fā)光的LED結(jié)的發(fā)光面積通常被限定為直徑15100微米的小圓點上。非發(fā)光電流形成的熱量通過一個大的熱沉(heat sink)得以發(fā)散，這使得小面

60、積的PN結(jié)可以被相對高密度的電流驅(qū)動，而不產(chǎn)生過多的熱量，從而形成高發(fā)光效率的光源。與電路設(shè)計有關(guān)的LED的特性光功率 光功率直接跟有源區(qū)的有效電子密度有關(guān)，這個密度是有源層厚度、載流子擴(kuò)散長度、表面復(fù)合的速度、以及有源層自身吸收率的函數(shù)。速度和調(diào)制帶寬 主要受限于載流子的復(fù)合壽命，這個復(fù)合壽命包括發(fā)光的和不發(fā)光的載流子復(fù)合時間。調(diào)制帶寬定義為f=1/(2)。對于實際的器件，寄生電容會對調(diào)制帶寬產(chǎn)生限制。與其它二極管相同，電容效應(yīng)包含與PN結(jié)面積相關(guān)的空間充電電容效應(yīng)和與小的光發(fā)射面的載流子壽命相關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)。一個典型LED器件的電容為150250pF。溫度特性 LED的一個重要性質(zhì)是光輸出功