模拟电路（电子线路（线性部分））：常用半导体器件

异想天开的男孩

已于 2025-01-24 21:44:55 修改

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于 2024-07-29 15:24:51 首次发布

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作者留言：本文尚未完成，针对看过视频的同学临时开放，来看仿真部分的同学们可以直接跳到仿真部分，仿真和理论没有太大的关联，不必都看。

作者留言：全文均由作者根据自身理解一字一字的敲出，由于作者自身写作能力有限或每人的理解不同，可能有些问题大家看不明白，欢迎大家留言或私信，我会根据大家反应的情况及时调整文中内容，谢谢大家！

半导体物理基础知识

二极管是一种由PN结组成的电子器件，接P型半导体的线称为正极（阳极,A），接N型半导体的线称为负极（阴极，K）

PN结是由P型半导体与N型半导体结合而成的。两种半导体都是杂质半导体，即在本征半导体中掺入少量特定的元素结合而成。

二极管的主要特性是单项导电性：外加正向电压，二极管导通，流经电流很大。外加反向电压，二极管截至，流经电流很小。该特性可以用万用表测得，同时还能判断哪边是正极，哪边是负极。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质：它的电阻率在（ $10^{-3}$ ~ $10^9$ ）Ω.cm范围内。用来制作半导体器件主要是硅（Si），砷化镓（GaAs），锗（Ge）。其中硅用得最广泛，是当前集成电路主要的材料。砷化镓主要用来制作高速半导体器件。

本征半导体

本征半导体：一块物质，都是同一种物质，内部晶格排列完全一致，每个原子均和相邻的构成4个共价键，没有少电子，也没有多电子，局部还是全局都不显电性。硅和锗的单晶就是这样。（抽象点讲，这种物质的原子结构，惯性核显4正电，外层带4个电子，才有机会形成）

本征激发和复合：一块本征半导体，在0 K温度（绝对零度）和没有外界影响下，它的外层电子都被死死的束缚在共价间中，电子是跑不出去的。当温度升高或受光照，一部分外层电子获取足够能量就会跑出去，成为了自由运动的电子，同时共价键中留下数量相同的空位（称为空穴），这就是本征激发。

自由电子跑着跑着，也可能会遇到别的电子跑出留下的空穴，释放能量，造成自由电子-空穴成对消失的过程称为复合。

热平衡载流子浓度：当温度一定时，本征激发和复合会维持在一个动态平衡的状态，即跑出去的电子和跑回来电子数量一致，这个时候就达到了热平衡。这种情况下我们可以通过公式去计算空穴或者自由电子的浓度值

$n_i$ = 自由电子浓度或者空穴浓度

A = 常数（硅 $3.88*10^{16}cm^{-3}K^{-3/2}$ ,锗 $1.76*10^{16}cm^{-3}K^{-3/2}$ ）

T = 开尔文温度。单位（K）。绝对零度为0 K

e = 自然常数（2.71828）

k = 玻耳兹曼常数（ $8.63*10^{-5}eV/K$ ,或 $1.38*10^{-23}J/K$ ）（eV为电子伏特，J为焦耳）

$-E_{g0}$ = 温度为绝对零度（0K）时的禁带宽度。硅为1.21eV,锗为0.785eV。

根据这条公式，我们可以解决以下几种应用问题

1.知道本征半导是什么材料做的，就可知在任何恒定温度条件下：它单个载流子浓度值是 $n_i$ 多少(空穴或者自由电子).

杂质半导体

在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，可以使得空穴或自由电子极大的增多，从而极大的提高导电能力，这种半导体称为杂质半导体。掺入5价元素（如磷，锑，砷），自由电子增多,称为N型半导体或电子型半导体。掺入3价元素的杂质（如硼，镓，铝），空穴增多，称为P型半导体或空穴型半导体。

N型半导体：五价元素有5个价电子，当它少量掺入到只有4个价电子的本征半导体当中时，5价元素与上下左右的4价元素两两形成共价键，会发现还剩1个电子不受共价键的约束，在室温条件下，这个电子足以获得足够的能量让它跑出去，导致了自由电子的增多，又因为不是共价键中跑出去的，不会产生新的空穴。带正电原子核又不会移动（无法起到载流子的导电作用）。自由电子的增多，使复合现象几率增大，反而又导致空穴的减少。这个东西我们称为N型半导体，它的多数载流子（多子）是自由电子，少数载流子（少子）是空穴，5价元素称为施主杂质。

P型半导体：与上面同理，掺入3价元素，形成共价健时多了一个空位（空穴），多出来的空穴并不会产生自由电子，空穴多了也会使复合现象几率增大，使得自由电子减少。吃了一个额外电子的3价元素显负电，但是它不会跑无法导电。那么这个东西我们称为P型半导体，它的多数载流子（多子）是空穴，少数载流子（少子）是自由电子，3价元素称为受主杂质。

多子和少子的热平衡浓度

接下的内容是为了计算掺杂半导体的多子和少子的浓度分别是多少？

想计算要满足两个条件，一个条件是处于热平衡状态，另一个条件是处于电中性状态。

热平衡状态：当温度一定时，复合现象和激发现象维持动态平衡，那么多子和少子的数量也会动态稳定下来。处于这种状态时，它们有一个关系式：参杂半导体的两种载流子的热平衡浓度乘积恒等于它的本征半导体载流子浓度值的平方。则关系式为： $n_0p_0 = n_i^2$

$n_0$ ：掺杂半导体的自由电子浓度

$p_0$ ：掺杂半导体的空穴浓度

$n_i$ :它本征半导体载流子浓度值(自由电子和空穴一样多，这个可以代表空穴也可以代表自由电子)

电中性状态：整个块半导体的正电荷恒等于负电荷，对外不显电性。常温状态下，掺杂的原子又全部电离。处于这种状态时，它们又有一个关系式：多子等于掺入的杂质加少子。原因是我们掺入的杂质只会产生多子，而因激发现象产生的少子又同时会产生多子。

P型半导体：掺入受主杂质，空穴为多子，电子为少子。

关系式： $p_0=N_a+n_0$

$p_0$ ：空穴（当前是多子）

$N_a$ : 受主杂质（电离产生空穴）

$n_0$ : 自由电子（激发现象产生，同时产生空穴）

如果掺入杂质的浓度远远大于其本征半导体热平衡时单个载流子浓度时。少子对多子浓度的影响可以忽略不计算。即： $N_a>>n_i$ 时， $p_0 \approx N_a$

N型半导体：掺入施主杂质，电子为多子，空穴为少子

关系式： $n_a = N_d + p_0$

$n_0$ : 自由电子（当前是多子）

$N_d$ : 施主杂质（电离产生自由电子）

$p_0$ ：空穴（激发现象产生，同时产生自由电子）

与上面同理，当： $N_d >> n_i$ 时， $n_a\approx N_d$ 。

根据上面两条关系公式，我们可以解决以下几种应用问题。

1.已知本征半导体单个载流子浓度值，掺杂的元素是什么，掺杂浓度是多少。

就可知：当前温度下掺杂半导体的自由电子和空穴的浓度值是多少。

如果掺杂元素浓度远大于本征半导体单个载流子浓度，只需要这条公式 $n_0p_0 = n_i^2$

否则需要联立上述两条公式。

两种导电机理——漂移和扩散

半导体的两种载流子（空穴和自由电子），都会随着电场和浓度差形成两股电流（漂移电流和扩散电流）。

漂移运动和漂移电流：载流子在电场的作用下定向运动称为漂移运动，这种情况下，载流子移动产生的电流称为漂移电流。

在半导体当中，空穴和自由电子都是载流子，产生的漂移电流都是顺着场强的方向指向低电势方。但自由电子是从低电势运动到高电势，空穴相反。

空穴产生的漂移电流计算公式： $J_{pt}=qp\mu _pE$

自由电子产生的漂移电流计算公式： $J_{nt}=-(-q)n\mu _nE$

总漂移电流计算公式： $J_t =J_{pt}+J_{nt}=q(p\mu _p+n\mu_n)E$

$J_{pt}$ ：空穴产生的漂移电流

$J_{nt}$ ：自由电子产生的漂移电流

$J_t$ ：所有载流子产生的漂移电流

$q$ ：单个正电荷电量（ $1.6\times10^{-19}C$ (库伦)）

$p$ ：空穴浓度

$n$ ：自由电子浓度

$\mu _p$ ：空穴的迁移率（不同的温度，材料，掺杂比。数值都会不一样，得看实际情况）

$\mu _n$ ：自由电子的迁移率（不同的温度，材料，掺杂比。数值都会不一样，得看实际情况）

$E$ ：外加电场强度（场强）（V/cm）

迁移率：单位场强下的平均漂移速度，单位： $cm^2/(V\cdot s)$

上述公式如果加入欧姆定律进行推演，会得出电阻率和电导率的计算公式

电阻率计算公式： $1/q(p\mu _p+n\mu _n)$

电导率计算公式: $q(p\mu _p+n\mu _n)$

推演过程:

我认为两个公式的意义是，不需要给导体施加恒定的电压再测电流才能得出电阻了（欧姆定律），我们可以直接从材料，温度，掺杂比等微观层面直接理论计算出电阻率和电导率，我们只要可控这些条件，就可以生产出任意材料的任意电阻率（或电导率）的产品了

扩散与扩散电流：载流子在浓度差的作用下产生的定向运动称为扩散运动，这种情况下，载流子移动产生的电流称为扩散电流。

只有半导体才存在扩散电流，当半导体中的载流子存在浓度差时，因为空穴和自由电子电荷是相反的存在，导致的整块导体的每一个地方的电荷是平衡的，内部是不会产生电场去拉动载流子的。

如果是导体，载流子有浓度差，电荷就会不平衡，内部就会产生电场拉动载流子，产生漂移电流。

空穴或自由电子的浓度梯度越大，导致扩散电流密度越大，导致扩散电流越大。

浓度梯度：设自由电子或空穴在一条直线上数量分布各不同，有一个函数 $n(x)$ 或 $p(x)$ 可以反应它们的分布情况，如果对函数进行微分我们就可以得到载流子的瞬时变化函数 $\frac{dn(x)}{dx}$ 或 $\frac{dp(x)}{dx}$ 。这个对于载流子在导体的一条直线中的某一点的瞬时变化称为浓度梯度。

扩散电流密度：导体横截面中的一点的电流，它乘以面积就是扩散电流了。因载流子有2种，所以有两条计算公式。

$J_n=-qD_n\frac{dn(x)}{dx}$

$J_n$ ：自由电子的扩散电流密度

$-q$ ：单个自由电子电荷量

$D_n$ ：自由电子扩散系数随着温度升高而增大硅材室温下为 $34cm^2/s$

$\frac{dn(x)}{dx}$ ：自由电子的扩散梯度反应导体横截面中某一点的浓度瞬时变化率

$J_p=qD_p\frac{dp(x)}{d(x)}$

$J_p$ ：空穴的扩散电流密度

$q$ ：单个空穴的电荷量

$D_p$ ：空穴扩散系数随温度升高而增大比 $D_n$ 小硅材室温下为 $13cm^2/s$

$\frac{dp(x)}{dx}$ ：空穴的扩散梯度反应导体横截面中某一点的浓度瞬时变化率

PN结

在一块N型或P型半导体中，利用杂质补偿原理改变它半边的导电属性，使得半导体一半为N型另一半为P型。这样就形成了PN结，它的晶格结构仍然是连续的。

杂质补偿原理：掺入不同性质的杂质，就可以改变半导体的导电属性，这个过程称为杂质补偿。即N型半导体大量掺入受主杂质可以变成P型半导体，P型半导体大量掺入施主杂质可以变成N型半导体。

实际的PN结均为不对称结，它的P区和N区的掺杂浓度是不一样的，我们根据掺杂浓度进行划分，如果P区掺杂浓度大就称为 $P^+N$ 结，如果N区掺杂浓度大就称为 $PN^+$ 结。

动态平衡下的PN结：

阻挡层（空间电荷区）：在P型半导体（P区）和N型半导体（N区）的交界面，自由电子在N区多P区少，空穴在P区多N区少。在浓度差的作用下会由多的地方往少的地方扩散，称为扩散运动，产生扩散电流。两区的多子互相相遇发生了复合现象，成批成批的消失。使得两区在交界面附近只留下了各自的少子（一部分是本身热激发产生的，另一部分是被对面多子扩散过来的）和与少子电荷一致且不可移动的杂质离子（虽然两区交界处仍然有一部分多子（内建电场导致的），但是远远小于杂质离子），这部分区域我们称为阻挡层（耗尽层，势垒区）。杂质离子因附近没有与其电荷相反的载流子制约，会产生由N区指向P区的电场，我们称为内建电场。内建电场的场强会将对面区域的少子拉扯过来（漂移运动，产生漂移电流），使得对面区域的少子（自己扩散过去的多子）不好往阻挡层的边缘走（复合，增大阻挡层宽度），同时对面区域热激发产生的少子也被拉扯过来（热激发，减少阻挡层宽度）。内建电场拉扯回来的载流子，还会被当成自己的多子又扩散出去。

这样就形成一个闭环了，扩散运动增大阻挡层宽度，减少扩散运动（浓度低了），增大内建电场，进而增大漂移运动，而漂移运动减少阻挡层宽度（热激发少子被拉走了），减少了内建电场，减少了漂移运动（场强低了），增大扩散运动（少子被拉扯过来，浓度又高了）。

补充一点：扩散运动导致的原因是浓度差，并不是作用力，所以无法微观上被电场力互相拉扯抵消掉。但内建电场的场强给对方多子带来势垒障碍，宏观上让对方多子不容易越过来（场强越高两区交界处多子累积越多），变相的减弱了扩散运动。但这种微妙的平衡因为对面的少子被拉扯过来，我方的多子增多了，势垒障碍和浓度差的平衡被打破了，过多的多子就又被扩散出去了。所以温度恒定且没有外加电压时的pn结内部的阻挡层是同时存在漂移电流和扩散电流的。两股电流方向相反，大小相当，在宏观上是互相抵消了，所以对外是没有电流通过的。

再补充一点：PN结除了阻挡层，其他地方依然在热平衡状态下保持电中性（温度如果有波动，半导体的激发和复合就不平衡了，载流子的浓度会不断的波动，对于局部来说载流子浓度就有高有低了）

内建电位差:根据上面概念形成的内建电场产生的电势差，我们称为内建电位差。对于这个我们有计算公式：

$V_B\approx V_Tln\frac{N_aN_d}{n^2_i}$

$V_B$ ：内建电位差（室温时，锗 $\approx 0.2-0.3V$ ,硅 $\approx 0.5-0.7V$ 。通常每升高1℃就减少2.5mV）

$V_T$ ：热电压

$N_a$ ：受主杂质浓度

$N_b$ ：施主杂质浓度

$n^2_i$ ：本征载流子浓度值的平方

$V_T=\frac{kT}{q}$

$V_T$ ：热电压

$k$ ：玻耳兹曼常数（ $8.63*10^{-5}eV/K$ ,或 $1.38*10^{-23}J/K$ ）（eV为电子伏特，J为焦耳）

$T$ ：开尔文温度。单位（K）。绝对零度为0 K

$q$ ：单个正电荷电量（ $1.6\times10^{-19}C$ (库伦)）

公式表明，N区和P区掺杂浓度越大，本征半导体载流子浓度越小，PN结的内建电位差就越大。锗在本征半导体时载流子浓度比硅大，所以同样的掺杂浓度下硅的内建电位差比锗大。

阻挡层的宽度：PN节中阻挡层的总宽度是由N区的阻挡层+P区的阻挡层。两区的阻挡层并不是相同宽度的。因为两区的阻挡层中的正负不可移动的离子数量是相当的，所以掺杂浓度大的一方面阻挡层会短一点。如 $P^+N$ 结中P区的阻挡层就比N区的短。对于阻挡层有以下两公式计算：

$l_0 = x_n+x_p=(\frac{2\varepsilon }{q}V_B\frac{N_a+N_d}{N_aN_d})^\frac{1}{2}$

$x_nN_d=x_pN_a$

$l_0$ ：阻挡层总宽度

$x_n$ ：N区阻挡层宽度

$x_p$ ：P区阻挡层宽度

$\varepsilon$ ：介电常数（硅 $\approx 1.035\times10^{-12}F/cm$ )

$q$ : 单个正电荷电量（ $1.6\times10^{-19}C$ (库伦)）

$V_B$ ：内建电位差

$N_a$ ：受主杂质浓度

$N_d$ ：施主杂质浓度

利用第一条公式我们可以计算阻挡层总宽度，再利用第二条公式我们可以计算N区和P区的阻挡层宽度分别是多少。

补充一点：温度的上升导致本征半导体的载流子上升，使得掺杂半导体中少子上升，加剧了PN中阻挡层形成内建电场时的漂移运动，使得阻挡层宽度缩减同时内建电位差减弱。

再补充一点：PN结根据交界面上杂质分布不同情况的突变，我们分为突变结，缓变结，超突变结

PN结的伏安特性：

施加正向电压：即施加一种与内建电场的场强相反的电压（P区接正极，N区接负极），对pn结施加了正向电压后，非阻挡层的多子会疯狂涌入阻挡层内，导致本区的阻挡层边缘处因大量的多子出现，总体电荷呈现中性了（阻挡层缩减了），内建电场的场强减弱后导致阻止扩散运动的势垒高度降低了，从而增强了扩散运动。扩散到对面区域阻挡层边缘的本区多子会被外加电场牵引跑出阻挡层（没时间完全复合，阻止了阻挡层的增宽）。扩散到对面区域的本区多子越靠近阻挡层边缘被电场迁移的数量越多（漂移电流越大）。另外多子的涌入会导致浓度差变大，从而再次增强了扩散运动。

补充一点：pn结阻挡层中间处主要是扩散运动导致的扩散电流，而越靠近边缘处就会慢慢被外加电场导致的漂移运动的漂移电流替代掉。

再补充一点：势垒高度的减弱，除了是因为自身内建电场的缩减导致的，外加的正向电压也是主要的原因。

再再补充一点：为什么这里的扩散运动增强了反而阻挡层缩减呢？是因为扩散过去的多子和本身热激发出来的（热激发会导致阻挡层缩减）被外加电场迁牵引走了。

施加反向电压：施加与内建电场的场强相同的电压（P区接负极，N区接正极），外加反向电压对于PN结主要以下两种影响1.使得扩散运动的势垒高度增强，导致扩散运动的减弱。2.使非阻挡层区域的少子涌入阻挡层，使得阻挡层边缘部分的复合现象加剧，增宽了内建电场的宽度，从而导致势垒高度再一次的增强。同时少子涌入阻挡层后会通过对方区域涌出阻挡层到达电源处，所以会产生一个少量的漂移电流。

补充一点：为什么这个漂移运动被增强了，扩散运动减弱了，而阻挡层却加宽了。原因是因为非阻挡层区域的少子涌入，导致阻挡层边缘处的复合现象加剧。

PN结的电流方程：对于通过pn结的电流我们有以下公式进行计算：外接正反电压都适用

$i=I_S(e^\frac{qu}{kT}-1)$

$i$ ：流经PN结电流

$I_S$ ：反向饱和电流

$e$ ：自然常数（约2.7182）

$q$ ：单个正电荷电量（ $1.6\times10^{-19}C$ (库伦)）

$u$ ：外加的电压

$k$ ：玻耳兹曼常数（ $8.63*10^{-5}eV/K$ ,或 $1.38*10^{-23}J/K$ ）（eV为电子伏特，J为焦耳）

$T$ ：开尔文温度。单位（K）。绝对零度为0 K

PN结的击穿特性：

PN结施加反向电压时，通过的电流很小（少子的漂移电流），但当反向电压大到一定程度时，PN结就会被击透，电流会急剧增大。这个击透现象我们分为齐纳击穿和雪崩击穿。

齐纳击穿：PN结掺杂浓度较高时，阻挡层较薄，但单位宽度下的场强是较强的。当我们施加一个不大的反向电压（6V以下），阻挡层会因为少子的涌入被加厚。这个时候我们内建电场的电场会快速增大，当大到一定可以破坏共价键时时候，内建电场内大量固定的原子最外层的电子会被强行拉扯出来，就产生空穴和自由电子（大量的载流子生成）。大量的载流子会在反向电压的牵引下跑到电源处，这个时候我们表面来看就是电流突然急剧增大了，这种现象就称为齐纳击穿。一般情况下外加的反向电压消失后，很快就恢复原来的状态了，即不易损坏PN结。

雪崩击穿：PN结掺杂浓度较低时，阻挡层较厚，且单位宽度下的场强较弱。当我们逐渐施加较大的反向电压时候（6V以上），内建电场的场强还未达到齐纳击穿的要求时（场强可以摧毁共价键程度），在反向电压和自身的内建电场作用下，阻挡层内的少子会具有一个极快的漂移速度（较高的动能），少子会将固定的原子外层的价电子撞出，形成新的空穴与自由电子。少子撞击完成后会继续下一次撞击（没固定住），新载流子也在反向电压和内建电场的作用下开始撞击（已经跑出控制了），这样就载流子1生2，3生6，6生12的快速增长，这种现象称为雪崩击穿。因为是离子撞击，伴有热量的释放，会导致pn结的温度急剧上升，当温度达到一定高度后，半导体的晶格结构发生了不可逆的损坏，PN结也就损坏了。

补充一点：为什么齐纳击穿不易损坏PN结，而雪崩容易损坏。因为雪崩击穿的原理是离子撞击，会释放热量，高温会使半导体的晶格发生不可逆的损坏。而齐纳击穿原理是电场撕裂共价键，并不会产生高温。

PN结的电容特性：

势垒电容：PN结外加电压（主要是反向电压的时候），阻挡层会根据电压的大小有不同程度的扩大或者缩小，阻挡层内存储的便是正负带电离子，宽度的变化等同于存储电量的变化，这就符合电容的特性了，称为势垒电容。

扩散电容：当我们外加正向电压时，己方的多子会扩散对方区域充当对方的少子，因为复合现象并不是一瞬间完成的，这个少子会停留一段时间。扩散运动和复合现象会将这个类的少子维持再一个动态平衡的状态，当电压升高时这类存在的少子就会增多，电压降低时之类少子就少。等于存储电量发生变化，满足电容的特性，我们称为扩散电容。因为扩散电容产生的原因是这里少子，当施加反向电压时，这类少子几乎不存在，所以约等于反向电压时没有扩散电容。

结电容：势垒电容+扩散电容

PN结的温度特性：

当温度升高时，半导体的激发现象会越来越剧烈，会导致少子的上升。PN结和本征激发出来少子有关的特性和现象都会受到影响。如温度升高：反向饱和电流会增大（反向电压可牵引更多的少子），内建电场会缩短（少子升高，复合加剧，多子减少），导通电压降低（内建场强缩短了），扩散电容上升（热激发出来的少子帮扩散过来的“少子”抗住了部分复合现象），势垒电容上升（更多少子被用于增宽阻挡层了），齐纳击穿所需电压降低（外层电子从温度上获得更多的能力），雪崩击穿所需电压升高（编者想不明白具体原因，但书上是这么写的）

当温度不断上升，少子的载流子浓度可能会与多子的就差距不大了，例如1:1万，变成了10万比11万。这时候杂质半导体就恢复成本征半导体了，PN结就会失效，所以半导体器件都有个最高工作温度。硅为150~200℃，锗为75~100℃。

二极管

将PN结封装外壳，P区和N区各拉一根导线到外壳外，这个便是我们工业电子领域常用的二极管，根据对PN不同的加工，我们生产出了应用于不同环境下的二极管。例如P区和N区只用一根金属丝连接，结电容会很小，所以工作频率可以高达100MHz,常用于高频电路中。不同的工艺使得PN结的各种特性有着不同的变化，就可以对于不同的应用环境了（高频，低频，大电流，小电流，保护等等）

二极管和pn结一样，具有单向导电性。因为二极管多了外壳和导线，存在导线电阻和外壳漏电的情况，所以二极管的压降和反向电流会大些，通过的电流越大这两个情况会越明显。实际实验发现，二极管只有正向施加一定程度的电压后电流才能通过，这个电压我们称为开启电压（硅0.5V，锗0.1V）。当通过电流开始明显增大具有明显的导通特性时，我们称为导通电压（硅0.6~0.8V，锗0.1~0.3V）。

二极管在温度每升高1℃时，正向压降约减少2~2.5mV（内建电场缩短了）。每升高10℃，反向电流约增大一倍（少子增多了）。

二极管电路分析参数：

最大整流电流 $I_F$ ：二极管可长期通过的最大正向电流（一段时间内的平均电流），超过这个值，二极管就会烧坏。它与二极管的外部散热和PN结的结面积有关，一个是保证整体不会过热，一个是保证阻挡层局部不会过热。过热会使得PN结失效。

最高反向工作电压 $U_R$ ：二极管最高可施加的反向电压，超过这个值，二极管就会被击穿（齐纳击穿或者雪崩击穿）。

反向电流 $I_R$ ：施加反向电压时，产生的电流。一般指二极管未被击穿前的电流。这个越小单向导通性越好。

最高工作频率 $f_M$ ：和PN结的结电容有关，如果给到二极管的电压频率超过这个值，单向导通性就会比较差了。实际工程应用中，不但不能超过这个频率，还要选取更高频率的二极管，以保证电路工作稳定。

二极管的等效电路：（待补图）

当我们想要理论计算有二极管的电路时，因为二极管的伏安特性是非线性的，我们很难直接计算二极管在电路中的作用。这个时候我们根据二极管在电路中起到的不可忽略的作用去建立等效的数学模型，难点在于要判断哪些影响是不能忽略。

理想二极管模型：

二极管只有单向导通性，忽略其他所有特性。

应用场合：快速判断电路运行逻辑，二极管两端正向的电压远大于压降电压。

理想二极管串电压源模型：

二极管存在单向导通性和启动电压

应用场合：二极管两端正向的电压与压降电压相差不巨大。

理想二极管串电压源+电阻模型：

二极管存在单向导通性，启动电压，电阻

应用场合：二极管两端正向的电压与压降电压很接近。

理想二极管串电压源+可变电阻模型（微变等效电路）：

二极管存在单项导通性，启动电压，可以变化的电阻（内建电场会随两端电压变化）

应用场合：二极管两端电压有波动，且这种波动带来的影响不可忽略。

理想二极管串电压源+电阻+电容模型：

二极管存在单项导通性，启动电压，可以变化的电阻，恒定的电容（扩散电容和势垒电容）

应用场合：二极管两端的电压是高频时，二极管的电容就不可忽略了。

二极管的种类：（待补）

稳压二极管：

稳压二极管的反向击穿特性特别好，当电压超过了最大反向电压时，电流增大的曲线特别笔直，即电压大一点点电流都会大很多。利用这个反向特性，我们就创造一条具有这样功能的电路支路：当支路的电压超过我们设定的电压时，超出的电压会使得支路电流就会瞬间增大，并且每超出一点点都会使得电流变得巨大。这个增大的电流会汇入到主路当中（基尔霍夫电流定律），就会增加这个主路的压降（欧姆定律）。这个电路我们称为稳压电路。

这个主路上如果存在另一条支路（我们要稳定电压的支路），当输入电压超过我们设定值，多出来的电压全被主路吃掉了，而我们要稳压的支路，电压就会一直处于设定的值。

注意：思考这个问题时，包括后面要学的电路分析，有些同学可能会想去判断整个电路每个元件的电阻，猜测它们分到的电压，再计算电流，这种思维可以分析很简单的电路勉强够用，但我们实际工程面临的电路问题是很复杂的，当整个电路中存在几十个电压源和电流源，上百个奇怪特性的元器件，如：二极管，三极管，放大器等等时，这种思维完全没有用。我们只能先算出电流,再用电阻计算压降，再判断元器件的压降从哪里来的。

发光二极管：

可以发出光波的二极管。如：不可见光的红外线（遥控器），可见光的蓝色、红色、绿色等（LED灯）。它们的开启电压要比普通的二极管大不少，一般普通的发光二极管红色的开启电压约为1.6~1.8V,绿色约为2V。通过的电流会大，光波就会越强，即LED灯会越亮，红外信号越强。该类产品寿命都是比较长的。

光电二极管：

能接收光波的二极管。能根据光能改变自身电气特性的二极管。常用来接收红外信号（接收器），和判断太阳光强度。原理：当光照的照入，会使得半导体中原子的外层电子具有更多的能量，加剧了热激发现象，使得半导体中的少子上升，导致反向饱和电流上升。光照强度越大反向饱和电流也就越大。我们通过特殊的工艺去控制这个现象，可以让半导体在不同光照强度下具有我们想要的反向饱和电流。

我们利用光的有无导致反向电流突变的现象，创造红外信号的接收器，利用反向电流在反向电压允许的范围内是恒定的现象，创造光控的电流源。因为反向电流很小，在电路中我们一般需要搭配放大器使用。

容变二极管：

该二极管被当成电容可以实时变化的电容元器件。原理：二极管反向施加电压时（未击穿前），反向电压越大，结电容越小。这个时候我们只要控制二极管两端的电压，就能控制电路中的电容了。一般用于调频调项，自动滤波等场合。

隧道二极管：

隧道效应：允许电子穿过在经典力学当中，不可逾越的势垒。

其他的二极管当中阻挡层较厚，会使得载流子比较难通过，只能施加较高的正向电压时，载流子才能有较好的通过性。而隧道二极管使用极高掺杂的P区和N区，两区交界面会形成很薄一层的阻挡层，在隧道效应的影响下，在很低的正向电压下（几十mV）,载流子都有着很好的通过性。正向电压持续增大，就会变得和普通二极管一样了。在正向电压从零增大情况下，载流的导通性是升高——降低——升高。

应用场合：因为隧道二极管具有极低的开启电压，导通性特别好，而且还具有反向截止的性能，一般被用于高频开关电路当中。

肖特基二极管：

是一种金属+N区的结构，于传统的PN结不同。

二极管的应用：

整流：

利用单向导电性，将正弦波（交流电）的负半周去掉（半波整流）或者将负半周掰成正半周（全波整流）

保护：

1.利用单向导电性，防止反向电压施加到支路或者施加到某一元器件上

2.利用反向击穿原理，将二极管反接到受保护电路当中，当受保护电路两端电压大于设定值时，就击穿二极管，使得受保护电路不在流通电路且两端电压基本为零。

稳压：

利用反向击穿时电流会变得巨大，该电流汇入到稳压电阻里面，使得多出来的电压全被稳压电阻吃了

限幅：

同样利用反向击穿时电流会变得巨大，当正弦波超出设定最大电压时，多出的电压全被稳压电阻吃了，达到限制正弦波振幅，不让电路过压的目的。

钳位：

与限幅原理一样，但针对的信号性正弦波，目的是电压钳制一段时间，将信号转换成具有明显0和1特征的信号。

逻辑门（与门或门）：

利用单项导电性，使得电路具有可控的导通和断开的两种状态，对应计算机上的1和0。通过巧妙的电路组合方式，可以输入状态和输出状态两者的关系具有可编程性。

三极管（双极型晶体管）

双极型：使用两种载流子进行导电（自由电子和空穴），一般驱动能力较大。

三极管原理：

我们利用杂质补偿原理，在一块硅片中制造三个区域（PNP或NPN），形成两个PN结。这种结构的元器件称为三极管（晶体三极管）（双极型晶体管）。中间的区域非常薄，称为基区，拉出的导线叫基极（b）。两端的区域中，一个掺杂浓度非常高但面积较小，称为发射区，拉出的导线叫发射极（e）。；另一个面积较大，称为集电区，拉出的导线叫集电极（c）。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。

想分析数个PN结组成的元器件在电路当中的电气情况时，重点关注的是PN结的正反偏状态和电子的移动方向。空穴的移动本质还是电子的移动，并且空穴是无法跑出半导体的，当把三极管当中一个小黑盒时，只有电子的进出，没有空穴。各区的电压是为让三极管发挥相应的功能，人为设定的。如果同时考虑各区电压，PN结正反偏状态，空穴移动，电子移动等等状态，会变得非常复杂，难以思考分析下去。所以接下来我将忽略掉空穴和各区电压情况，简单化思考逻辑，让三极管处于复杂电路时我们仍然可以快速分析。

发射结正偏+集电结反偏：

PNP：电子在集电结反偏的带动下，从电源负极出来，通过集电极灌入到集电区，漂移到基区。此时因为基区是非常薄的一层，只有少数电子通过基极跑到电源正极上。同一时刻囤积在基区大量的电子在发射结正偏的带动下，全扩散到发射区上面并通过发射极跑到电源正极上。

黑盒现象：电流从发射极灌入，少部分从基极涌出，大部分从集电极涌出。

NPN：电子在发射结正偏的带动下，从电源负极出来，通过发射极灌入到发射区，扩散到基区。此时还是因为基区是很薄的一层，只有少部分电子通过基极跑到电源正极上。统一时刻囤积在基区大量的电子在集电结反偏的作用下，漂移到了集电区，通过集电极跑到电源正极上。

黑盒现象：电流从集电结灌入，少量的电流从基极灌入，两股电流在发射极合并涌出。

总结：这种情况下我们发现，基极的电流很小，集电极的电流大的多，基极的电流可以控制集电极的电流（进入到基区的电子数量是由发射结两端电压决定的，集电结只要处于反偏状态，不管内建强度有多大都只能被动的牵引少子的运动，即被动的向基区灌入或灌出电子）。这个两股电流都通过发射极进或出。我们通过数学的理论计算，发现基极电流乘以一个系数就等于集电极的电流，相当于基极的电流被等比的放大了，这个现象可以被我们用来不失真的放大微弱的信号。我们把三极管的这种状态称为放大状态

发射结正偏+集电结正偏：

NPN：在发射结和集电结都正偏的作用下，集电区和发射区都试图往基区注入电子。我们PN结正偏能通过大量的电子靠的是扩散运动，即本质靠的是两端的浓度差。因为我们基区很薄，只能允许少量的电子通过基极回到电源正极。大量的电子囤积到基区，使得基区的电子浓度不断的上升，这个时候发射区和集电区谁的电子浓度低，谁就先顶不住，就会被基区的电子反向扩散回去。一般我们都会设置发射区的电压比集电区的电压低，让集电区先顶不住，使得发射区注入到集区的电子往集区跑，让后通过集电极跑回到电源正极。注意：这个时候即使集电结是正偏状态，集电区不再往基区注入电子，因为基区的电子浓度比集电区高的多。

黑盒现象：电流从发射极灌入，少部分电流从基极涌出，大部分电流从集电极涌出

PNP：因为掺杂半导体内部具有“空穴”的存在，空穴的移动等于反向的电子移动，抽象的想象一下，一股能让空穴往前移动的能力，等于是一股往回抽电子的能力。在集电结和发射结都正偏的作用下，集电区和发射区都试图从基区中抽电子，两区抽电子的能力由“空穴”的浓度差决定。因为基区很薄，只能允许少量的电子从基极注入到基区，这个电子注入量太少了，无法阻止基区中“空穴”的浓度不断的上升。这个时候发射区和集电区谁的空穴浓度低，谁就抽不到电子，还得挨抽（基区“空穴”的浓度比它的高）。一般我们认为设定集电区的电压比发射区的低，使得集电区先顶不住，往基区送电子。注意：这个时候即使集电结是正偏状态，集电区不能从基区抽电子，还得往里送电子，因为基区的空穴浓度比集电区高的多。

黑盒现象：电流从集电极灌入，少量电流从基极灌入，两股电流从发射极合并涌出。

总结：电流的流向与放大状态时一样，但是我们发现基极电流已经无法被集电极的电流等比例放大了，因为集电结也是正偏的状态了，导致集电区不是被动的接收或给予基区电子了。当基区的电压增大时，会同时增大集电区和发射区向基区投送或索取电子的能力。因为基区很薄，电子只能少部分的通过基极进或出三极管，大量的电子还是由集电区和发射区对电子驱动能力的竞争决定去向的，这两区对电子驱动能力同时提升，对于三极管对电子的驱动的能力约等于没有提升，所以基极的电压继续上升已经很难在对三极管流通的电流产生影响了。我们三极管这样的状态称为饱和状态，基极已无法提升流经集电区和发射区的大电流，该大电流只与基电区和发射区两端的电压有关。

发射结反偏+集电结反偏：

PNP：发射区和集电区都在向基区投送电子，但因为两区是P型半导体它们投送电子的能力是很弱的，只能有少量的电子进入到基区，虽然基区很薄，但是还是可以把这少量的电子从基极给运到电源正极，基区的电子浓度可以保持动态稳定。、

黑盒现象：基区有微弱电流流入，发射区和集电区有微弱的电流流出

NPN：发射区和集电区都在向基区抽电子，但因为两区是N型半导体它们抽电子的能力是很弱的，只能有少量的电子被抽出基区，虽然基区很薄，但是还是可以把这亏空的少量电子从基极补到基区中，基区的”空穴“浓度可以保持动态稳定。

黑盒现象：发射区和集电区都有微弱的电流流入，基区有微弱电流流出，

总结：此时三极管三个极流动电流都很微弱，微弱的电流对其他电路基本没有什么作用，一般我们就认为它是不导通的，是断开的。三极管的这种状态我们就称为截止状态。

发射结反偏+集电结正偏：

PNP：集电结正偏，集电区从基区抽取大量电子。因为基区很薄，所以只能从基极补入少量的电子，此时电子的缺口在大量上升（空穴浓度上升）。发射极反偏，被动的往基区里面送电子，去填补基区大量的缺口。

黑盒现象：集电极电流流入，少部分电流从基极流出，大部分的电流从发射极流出

NPN：集电结正偏，集电区往基区投送大量的电子。因为基区很薄，所以只能从基极运出少量的电子，基区的电子浓度不断的在上升。发射结反偏，发射区被动的从抽区抽电子。

黑盒现象：基极流入少量的电流，发射极流入大量的电流，两股电流在集电极合并流出。

总结：电流都在集电极合并了，并且根据实验分析，基极的电流和发射极的电流成正比，这个现象刚好和放大模式相反。三极管的这种状态我们称为反向放大状态。我们一般不会使用三极管的反向放大模式，因为放大的增益系数是远小于正向放大的，而且性能会不稳定，可以承受的电流也小很多。因为发射区和集电区结构都是专门设计的，反着来用情况设计时候就没考虑过。

电路符号：

在我们电路符号当中，箭头指向的是N区，箭头的方向是三极管处于正向放到时候的电流方向，箭头在发射极上面。这两个信息，我们就可以推测出三级管是PNP还是NPN,哪个是发射极哪个是集电极，三个极的电流流向的怎么样的。这个些都可以从电路符号当中看出来。

三极管的种类：

三极管应用：

信号放大：

利用三极管在放大状态时，基极电流和集电极电流是成比例的特性，而且是不失真的。我们这利用这个特性，将微小的信号不失真的放大。温度传感器，烟雾传感器，声音传感器等等传感器，最开始探测到的信号是非常微弱的，我们逻辑判断电路或者芯片是很难识别这种信号的，所以基本上所有的传感器后面都会接入放大器，放大器可能是三极管或者三极管原理制成的集成电路（芯片）。

我们将三极管用于放大信号用途时（三极管已经其他电路设置成放大状态，现在我们从基极输入信号，但我们怎么取出我们想要的信号呢），我们可以有以下3种取信号的接线方式（怎么接线是并不会影响它处于放大状态的）。（书上就说了这些）

共什么极就是对比其他两个极的电压电流情况。

取集电极信号（共发射极）：

输入回路：基极+发射极输出回路：集电极（输出信号源）+发射极

发射极作为输入和输出的参考地。

输出电流增益（ $\beta$ ）高：基极电流对比集电极电流。

输出电压增益高：基极电压对比集电极电压（发射极电流增大，从而改发射极串联的负载压降，发射极端口的电压就会被改变了）。

输入阻抗低，输出阻抗高。

取集电极信号（共基极）：

输入回路：发射极+基极输出回路：集电极（输出信号源）+基极

基极作为输入输出的参考地。

电流增益（ $\alpha$ ）接近1：发射极电流比集电极电流，两个电流相差一个很微弱的基极电流，约等于1

电压增益高：发射极电压比集电极电压，发射极与基极两端电压增加一点点，都会给集电极带来大电流，从而导致集电极串联的负载压降增大，导致集电极端口电压波动巨大。

输入阻抗低，输出阻抗高。

取发射极信号（共集电极）：

输入回路：基极+集电极输出回路：发射极（输出信号）+集电极

集电极作为输入输出的参考地。

电流增益高：基极电流比发射极电流，基极电流微弱，发射极电流=基极电流+集电极电流

电压增益约等于1：基极电压比发射极电压，这两个极两端电压差距不会很大，这两端电压一点差距就会带来集电极电流巨大的变化，如果差距大了，就会进入饱和状态或者截止状态

输入阻抗高，输出阻抗低。

开关：

利用三极管的饱和状态和截止状态，这两个模式来回的切换，就可以实现电路可控的通断。对比二极管的开关作用，二极管想实现开关的功能，需要改变两端的电压状态，而二极管的不管串联还是并联在受控支路上，都不可避免的对受控支路本身产生影响。而三极管控制的是基极，基极不在受控支路上，而且基极本身的电流量是很小的，从整个受控电路上，如果受控电路不是特高频或信号非常微弱等等特殊情况，基本没有影响。所以三极管的开关作用，是具有很高灵活性的。

应用：

软件控压（稳压）：假如输入10v电压，我们可以控制线路高频开关开关，使得输出为0~10v

三极管等效电路:（待补）

我们理论分析电路，本质就是去找出各各节点的电流和电压。因为PN结的存在，三极管电压和电流之间的关系并不是线性的，会导致我们在理论电路计算很复杂，这个时候我们需要对于不同的情况下，创建等效替代模型，使得我们计算变得简单，且计算结果与实际情况相差不大。

埃伯斯-莫尔模型（通用模型）：

这个模型是全能通用的，三极管的截止，放大，饱和状态都可以计算。但计算量会比较大，常需要用电脑辅助计算。该模型指出，可以使用基极与集电极，发射极两端的电压，推算出发射极和集电极的电流。

大信号电路模型（共射）：

小信号电路模型（共射）：

三极管电路分析：

场效应管（单极型晶体管）

单极型：使用一种载流子进行导电，自由电子或者空穴。

场效应管原理：

结型场效应管（JFET）：

（个人觉得是，在一块导通的半导体中插入一个可控大小的阻挡层（耗尽层），来控制中间可以导通电流的区域大小，这个区域的大小影响电流的导通能力，等同于控制了电阻，当这个区域消失时，电阻就会变大超级大，等同于截止了，）

我们在研究PN结的时候，发现PN结存在阻挡层（耗尽层）这种现象。阻挡层会阻止电流的通过，并且受两侧电压影响，阻挡能力可大可小。那我们不妨大胆想象下，我们能不能把这个现象塞到导体里面，让导体流通的电流具有可控性。经过历代人类的努力，不断的失败，理论和应用都慢慢成熟了，当今已经具有这个工作原理并已成熟的电子元器件，称为结型场效应管（JFET）.

内部理论结构为如下：

该模型把两个阻挡层竖着塞进了半导体里面，想要电流大点就缩短阻挡层，电流小点就增宽阻挡层，想阻断电流就把两个阻挡层连接在一起，拦断整个截面。

实际应用上因为源极（S）与漏极（D）的电压是不同的，源极的电压一般是偏高的，同时阻挡层的厚度是受两侧的电压大小决定的，所以阻挡层的厚度并不是均匀的，而是呈现出漏极厚源极薄。这方面N沟道和P沟道一致。

在这个模型里面，阴影部分为阻挡层（耗尽层）。中间空白部分部分为导电沟道。两侧高掺杂的区域引出来的导线称为栅极（G）,用于控制阻挡层的大小，也就是控制电阻、电流的大小。半导体上方引出的导线称为漏极（D）,用于组成电流流动的回路。半导体下方引出的导线称为源极（S）,同样也是用于组成电流流动的回路的。

在N沟道类型中，漏极电压要比源极高，电流从漏极进源极出。

在P沟道类型中，漏极电压要比源极低，电流从源极进漏极出。

该器件具有一个奇特的现象，它具有恒流现象，在一定的条件下，栅极电压不变，漏极和源极的电压差波动并不会影响电流。

绝缘栅型场效应管（金属-氧化物-半导体）(MOS）：

（个人觉得是三极管的基础上演化过来的，把三极管设置成截止状态，然后拓宽基区，在基区的边上铺设绝缘体和金属片，利用电容的现象原理，通过控制金属片电位，可在基区形成一条导电能力可控的沟道，这样场效应管就形成了，可以直接利用电容理论推测出，直流情况下，信号源和受控源是可以直接物理隔绝的）

绝缘栅型场效应管引出4个极，分别为栅极（G）,源极（S）,漏极（D）,衬底（B）。类型主要有四种，分别为增强型的N沟道和P沟道，耗尽型的N沟道和P沟道。以增强型N沟道场效应管为例子讲解，P型半导体为底衬，底衬上方区域搞两个高掺杂的N+区（分别为源区和漏区）和两个高掺杂P+区。在源区，漏区和其中一个P+区上方铺设导体（引出导线），其余上方部分铺设绝缘体。在漏区和源区中间的绝缘层上方，铺设导体。这些4个导体引出的线就称为源极，漏极，衬底，栅极。

有一个P+区不铺设导线的原因是两个P+区都是控制下方衬底的，用一个控制就行了，而为了实现电场分部均匀，就需要两个p+区这样的对称结构。

栅极：控制电流的大小。栅极施加正电压，可以使得绝缘层下方出现电子层（称为沟道），电子层联通了源区和漏区，两区存在电位差，电流就开始流通了。随着栅极的正电压大小不同，沟道的导电能力也会不同，就实现了控制电流大小的功能了。

源极：电压比漏极低，电子从这里进源区，然后往漏极走。

漏极：电压比源极高，漏区电子从这里出。

衬底：为栅极控制的电子层提供电子。源区和漏区与衬底的PN反偏，防止电流从衬底走。

下图中斜杠阴影处为绝缘层，灰色阴影处为导体，电路符号的箭头方向为两PN结正偏是的电流方向。

当我们栅极施加较小的电压时，也有电子汇聚在薄层当中，但薄层主要以空穴为载流子的p型导电类型。这个时候即使薄层连接了源区和漏区，两区还是不会导通的。这个时候我们称为截止区。

当栅极电压不断加大，会牵引更多的电子来到薄层，排除更多的空穴出薄层，复合的加剧导致更多的空穴凭空消失。我们薄层的载流子就会转变为以自由电子为主(N型导电类型)（称为N沟道）。这个时候薄层与源区和漏区的导电类型一致了，两区的电子就可以这个薄层进行移动了。两区此时就导通了。这个薄层导电类型转换的电压点称为开启电压 $V_{GS(th)}$ 。

当栅极电压从大于开启电压，逐渐降低为小于开启电压时。电流不会立刻截止，仍然会按指数规律流通一个较小的电流。我们把开启电压到这股电流完全为0时的电压区间称为亚阀区。除了特殊的低频低功耗场合，一般设计者会避免场效应管工作在亚阀区。

沟道中的载流子浓度计算方程（导电能力）（能导通的条件情况下）：

$Q_n = C_{ox}(v_{GS}-V_{GS(th))})$

$C_{ox}=\frac{K_{ox}\varepsilon_0}{t_{ox}}$ （器件做出来时该值已固定）

$Q_n$ :导电状态下沟道的载流子浓度

$C_{ox}$ :单位面积栅电容值

$v_{GS}$ :栅源电压

$V_{GS(th)}$ :场效应管的开启电压

$K_{ox}$ :绝缘层的相对介电常数

$\varepsilon _0$ :真空中的介电常数

$t_{ox}$ :绝缘层的厚度

场效应管参数：

场效应管四种类型:

N沟道增强型：

简要描述：

P沟道增强型：

简要描述：

N沟道耗尽型：

简要描述：在原本增强型的基础上，在出现沟道的那个地方（反型层）上方的绝缘层，提前掺入些正离子，这些正离子自身会吸引负电子到附近，就是会吸引负电子到反型层里面，使得即使我们没往栅极里面施加电压，我们的沟道本身也是会存在，这个就是耗尽型与增强型的根本不同点。

因为沟道提前存在了，我们的开启电压就会变小，甚至可以为负值。一般会设置成负值，这样只要源—漏极之间有电压差就可以有电流，当栅极电压小于这个负值时，电流就会被夹断，所以这个“开启电压”我们就换了个称呼，称为夹断电压。

P沟道耗尽型：

简要描述：在原本增强型的基础上，在出现沟道的那个地方（反型层）上方的绝缘层，提前掺入些负离子，这些负离子自身会吸引正空穴到附近，就是会吸引正空穴到反型层里面，这样即使我们没往栅极里面施加电压，我们的沟道本身也是会存在，这个就是耗尽型与增强型的根本不同点。

（互补金属-氧化物-半导体）（coms）：

（垂直金属-氧化物-半导体）（vmos）：

场效应管等效电路:

场效应管应用：

集成电路中的元件

计算机辅助理论构建实操

Matlab软件

二极管：

保护功能

防反向电压

仿真应用视频：二极管功能--防反向电压--matlab仿真_哔哩哔哩_bilibili

利用二极管的单向导通性，我们将二极管与受保护元器件串联到一起，当受保护元器件将要受到反向电压影响时，二极管会截止，从而消除反向电压对受保护器件的不良影响

实操简要指导：

打开matlab----打开simulink工具----新建电路工程----构建所需电路----工作区撰写时变电压源控制脚本----工作区生成的控制数据导入simulink中的逻辑模块----仿真运行----实验结果总结

1.打开matlab

2.打开simulink工具

3.新建电路

3.构建所需电路图

所需模型位置：

电阻（Resistor）

Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

二极管（Diode）

Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

受控电压源（Controlled Voltage Source）

Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sources

电流传感器（Current Sensor）

Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sensors

电压传感器（Voltage Sensor）

Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sensors

物理信号转Simulink信号箭头（PS-Simulink Converter）

Simscape > Utilities

示波器（Scope）

Simulink > Sinks

工作区逻辑控制模块（From Workspace）

Simulink > Sources > From Workspace

Simulink信号转物理信号箭头（Simulink-PS Converter）

Simscape > Utilities

求解器(Solver Configuration)

Simscape > Utilities > Solver Configuration

地（Electrical reference）

Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical reference

4.工作区撰写时变电压源控制脚本，并运行

% 主脚本内容
x =0:0.2:10; % 生成从 0到 10的 x 值，步长为 0.2
y = arrayfun(@piecewise_function, x); % 对每个 x 值应用分段函数

% 绘制函数图像
figure;
plot(x, y, '-o');
title('分段函数');
xlabel('x');
ylabel('f(x)');
grid on;
% 局部函数定义
% 创建用于 "From Workspace" 模块的结构体
y = y'
sim_data.time = x;
sim_data.signals.values = y;
sim_data.signals.dimensions = 1;


function y = piecewise_function(x)
    % 分段函数的逻辑判断
    if x >= 3 && x<=5   %x在3到5的范围内  
        %是，y=-20
        y = -20;
    else
        % 否则，y = 20
        y = 20; 
    end
end

5.工作区生成的控制数据导入simulink中的逻辑模块

我们在工作区脚本运行后，生成的数据simulink工具自动会知道的，我们直接用就好。需要注意的是对于数据格式simulink的模型有规定的，只能按照规定格式的数据才能用。我们这个数据要求的是一个结构体，里面有三个成员，分别是时间，值，前面两个数据是几维的。