模电：第一章-半导体器件
1.1 半导体基础
- P/N型半导体 根据载流子的正负电性命名，掺杂三价/五价物质
- 本征半导体 纯度达到小数点后9个9的半导体。在其中，空穴数和自由电子数相等
- 掺杂 会使某一种载流子占多数
- 漂移运动 载流子在电场作用下定向运动
- 扩散运动 载流子自浓度高向低浓度区域扩散
1.2 PN结
PN结形成过程
在一块本征半导体两侧进行N型掺杂和P型掺杂，此时在结合面上会发生扩散运动。N电子扩散到P空穴，两区域会中和，从而在结合面上会形成裸露粒子。P区呈负电性，N区呈正电性。这会形成内电场，由N区指向P区。这电场会阻碍多子的扩散作用。
在内电场作用下，少子会漂移，方向盘和扩散方向相反，从而会和多子达到动态平衡。平衡后的空间电场区域就称为PN结。这也称为耗尽层（缺少多子），也等效于电阻。
两边掺杂程度不同，会使得PN结不对称。重掺杂一侧会因为密度大相对薄。用P+N/PN+表示。
PN结单向导电性
正偏（P流向N）导通，反偏（N流向P）截止。
P区电位高于N区电位称为正偏（forward bias），反之称为反偏。
这回路必须加上限流电阻，否则无压降时电流会很大，二极管会被烧毁。
导通性主要和内电场有关。漂移电流大则电流小，扩散电流大则电流大。温度升高漂移电流也会增大。10℃大概对应漂移电流变化一倍。反向电流由于基本不变，所以称为反向饱和电流。
伏安特性
伏安特性数学关系为：$I_D=I_S(e^{\frac{u}{U_t}}-1)$，其中只有$U$和$I$是变量，$I_S$是反偏电流，$U_T$是温度当量，默认为$26mV$。
$U_T=\frac{kT}{q}$，其中的$k$是玻尔兹曼常数。
$T=300$时，电压为$26mV$。
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击穿特性
击穿方式有两种，血崩击穿和齐纳击穿。
- 雪崩击穿
当PN结较厚，电压较高时，一个载流子打在PN结上，会撞出来一些自由电子。这些自由电子会像链式反应一样撞出来更多的自由电子。
- 齐纳击穿
当PN结较薄，电压较低时，内部扩散载流子形成的内电场可能会直接把束缚电子拉出来，形成击穿。
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PN结的电容效应
总而言之，PN结可以等效为电容和电阻并联。
电容效应 电压变化引起电荷变化。势垒电容，扩散电容构成了PN结的电容效应。
势垒电容 由阻挡层内电荷引起。外加电压会改变阻挡层厚度。这会使得阻挡层内电荷量改变。
扩散电容 多子扩散后，在另一侧积累形成电容效应。正向电压会改变电荷量从而使得电容改变。
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1.3 半导体二极管
是将半导体制作成二极管（diode）得到的电子元件，性质也是单向导通。两端分别为P端（阳极），N端（阴极）。
分类可以按照材料：
- 硅二极管
- 锗二极管
也可以按照结构分类：
- 点接触型二极管 适合高频工作，小电流整流、检波和混频等
- 面接触型二极管 只能在较低的频率工作，可用于整流电路
- 硅平面型二极管 结面积大的用于大功率整流，小的在脉冲数字电路中作开关管
二极管的参数
二极管有这么几个特殊点。考虑U-I图（横轴U纵轴I），有
- $U_{th}$ 死区电压，超过这个正值二极管开始导通
- $U_{on}\text{ or }U_I$ 导通电压，此时电流达到1mA
- $U_{BR}$ 击穿电压，反向电压超过一定值后，反向电流急剧增加
- $U_R$ 最大反向工作电压，二极管允许的最大工作电压，一般取最大值的一半标注
- $I_F$ 最大整流电流，正向最大平均电流
- $I_R$ 反向电流，未击穿时反向电流值，受温度影响大
- $f_M$ 最高工作频率 和结电容成反比
- $R_D$ 端电压和流过二极管的电流之比
- $r_d$ 交流电阻，工作点附近的图像切线斜率倒数。取26℃室温，约为$\frac{26(mV)}{I_{DQ}}$，分母是工作点的电流
部分重要参数如下：
| - | 硅二极管 | 锗二极管 |
|---|---|---|
| $U_{th}$ | 0.5V | 0.1V |
| $U_{on}$ | 0.7V | 0.3V |
| 反向饱和电流 | $nA$ | $\mu A$ |
温度特性 温度升高1℃，正向压降减小2-2.5mV；升高10℃，反向电流约增大1倍。
为了简化分析，可以在某种范围用线性函数近似二极管的指数分布。
- 理想模型 就是理想二极管，反向断路，正向短路
- 恒压降模型 在理想模型基础加上$U_{on}$，相当于将理想模型向右平移$U_{on}$
- 折线模型 把前者正向短路换成斜率$1/R_D$的直线
利用二极管反向电流变化小的性质，可以用它制作稳压电路。
限幅电路
限幅电路是一种常用的保护电路，可以限制输入信号的幅值，使其不超过一定范围。常用的限幅电路有正向限幅电路和反向限幅电路。
限幅的实现，是源于二极管的伏安特性曲线。它导通时，两端电压近似等于二极管的导通电压。这使得二极管有了一种“钳制”的效果：当二极管在一个支路上，如果遇到一个支路的端电压超过导通电压，则二极管会导通，使得两端的电压无限接近于二极管的导通电压。
下面是另一个题型，看谁先导通（共极）。这种方法看谁的阴极电压更低，就能得出了。
另外还可以假设法解题。因为钳制效应的作用，所以只有一个管子会导通。因此，假设一个管导通，如果一个管导通，其他管不导通，则假设正确。
正向限幅电路
正向限幅电路可以将输入信号的负半周全部截去，只保留正半周。
当输入信号为正半周时，二极管正向导通，输出信号等于输入信号；当输入信号为负半周时，二极管反向截止，输出信号为0V。因此，正向限幅电路可以将输入信号的负半周全部截去，只保留正半周。
上面就是一个反向截止电路。
反向限幅电路
反向限幅电路可以将输入信号的正半周全部截去，只保留负半周。
当输入信号为负半周时，二极管反向导通，输出信号等于输入信号；当输入信号为正半周时，二极管正向截止，输出信号为0V。因此，反向限幅电路可以将输入信号的正半周全部截去，只保留负半周。
限幅电路的应用非常广泛，例如在音频放大器中，可以用限幅电路来保护扬声器，防止过载损坏；在通信电路中，可以用限幅电路来保护接收机，防止过大的信号干扰接收机正常工作。
二极管门电路
二极管门电路是一种常用的电路，可以将输入信号的幅值限制在一定范围内。二极管门电路的基本原理是利用二极管的导通特性，将输入信号限制在二极管正向导通电压范围内。当输入信号超过二极管正向导通电压时，二极管开始导通，输出信号等于输入信号减去二极管正向导通电压；当输入信号小于二极管正向导通电压时，二极管反向截止，输出信号为0V。
常见的二极管门电路有正向门电路和反向门电路。
正向门电路
正向门电路可以将输入信号的负半周全部截去，只保留正半周。当输入信号为正半周时，二极管正向导通，输出信号等于输入信号减去二极管正向导通电压；当输入信号为负半周时，二极管反向截止，输出信号为0V。因此，正向门电路可以将输入信号的负半周全部截去，只保留正半周。
反向门电路
反向门电路可以将输入信号的正半周全部截去，只保留负半周。当输入信号为负半周时，二极管反向导通，输出信号等于输入信号减去二极管正向导通电压的相反数；当输入信号为正半周时，二极管正向截止，输出信号为0V。因此，反向门电路可以将输入信号的正半周全部截去，只保留负半周。
整流电路
整流电路是将交流电信号转换为直流电信号的电路。在整流电路中，二极管起到了关键作用。常见的整流电路有半波整流电路和全波整流电路。
半波整流电路
半波整流电路是将输入信号的负半周全部截去，只保留正半周。输入信号为正半周时，二极管正向导通，输出信号等于输入信号；当输入信号为负半周时，二极管反向截止，输出信号为0V。因此，半波整流电路可以将输入信号的负半周全部截去，只保留正半周。
全波整流电路
全波整流电路是将输入信号的负半周翻转成正半周，再与正半周相加得到完整的正半周信号。当输入信号为正半周时，D1正向导通，输出信号等于输入信号；当输入信号为负半周时，D2正向导通，输出信号等于输入信号的相反数。因此，全波整流电路可以将输入信号的负半周翻转成正半周，再与正半周相加得到完整的正半周信号。
滤波电路
在整流电路中，由于二极管的导通特性，输出信号仍然存在直流偏置。为了去除这种直流偏置，需要加入滤波电路。常见的滤波电路有电容滤波电路和电感滤波电路。
二极管电路分析
对于二极管电路的分析，需要掌握二极管的伏安特性、电容效应、温度特性等基本特性，以及二极管的参数和模型。常用的二极管模型有理想模型、恒压降模型和折线模型。在实际电路中，可以根据需要选择不同的模型进行分析。