1、LOGO非线性电路与系统非线性电路与系统电子工程学院电子工程学院 电磁场与微波技术电磁场与微波技术主讲人：主讲人：徐锐敏徐锐敏 （教授）（教授）Company 非线性电路与系统非线性电路与系统微波有微波有源器件源器件电真空器件电真空器件（体积大，高压，受命短，用于高（体积大，高压，受命短，用于高功率）功率）半导体器件半导体器件微波二极管：微波二极管：肖特基势垒二极管（混频、倍频），变容二极管（肖特基势垒二极管（混频、倍频），变容二极管（VCO），），阶跃恢复二极管（倍频），阶跃恢复二极管（倍频），PIN二极管（控制电路），耿氏二极管（控制电路），耿氏Gunn二极管（振荡器），雪崩二极管（振荡器
2、），雪崩Impatt二极管（振荡器）等二极管（振荡器）等微波三极管微波三极管微波二极管微波二极管微波三极管：微波三极管：BJT，FET，MESFET，HBT，HEMT，pHEMT等等非线性固态器件模型非线性固态器件模型Company 非线性电路与系统非线性电路与系统半导体半导体材料材料元素半导体（第一代）：元素半导体（第一代）：Si，Ge，Se化合物半导体（第二代）：化合物半导体（第二代）：GaAs，InP（第三代）：（第三代）：SiC和和GaN（宽禁（宽禁带）：功率高，耐高温，抗辐射，带）：功率高，耐高温，抗辐射，功率密度大，工作电压高功率密度大，工作电压高固溶半导体：固溶半导体：Si(1-
3、x)Gex,Ga(1-x)AlxAs,In(1-x)GaxAs(1-y)Py非线性固态器件模型非线性固态器件模型Company 非线性电路与系统非线性电路与系统1Ni固态器件的非线性等效电路模型固态器件的非线性等效电路模型线性元件（线性元件（R，C，L）1Mi非线性元件（非线性元件（C，R 或或 G，受控源），受控源）建模准则：建模准则：集总参数模型，采用准静态法，具体要求：集总参数模型，采用准静态法，具体要求：（1）模型在很宽的频带内有足够的精度。）模型在很宽的频带内有足够的精度。（2）在满足精度的要求下，模型越简单越好。）在满足精度的要求下，模型越简单越好。（3）固态器件必须能够比较容易的
4、确定模型的有关参数。）固态器件必须能够比较容易的确定模型的有关参数。非线性固态器件模型非线性固态器件模型Company 替代定理替代定理非线性电路与系统非线性电路与系统线性线性替代定理：替代定理：特性为特性为I=f(v)的一个线性或非线性电阻元件和它的一个线性或非线性电阻元件和它特性相同的一个受控电流源等效。特性相同的一个受控电流源等效。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统非线性非线性结论结论：将非线性元件归结为两大类将非线性元件归结为两大类 非线性电容和非线性受控电流源（或电压源）非线性电容和非线性受控电流源（或电压源）元件元件替代定理替代定理Company 非线性电导或电阻非线
5、性电导或电阻0002300123232323()().()1()1().26V VV VV Vif Vv tf Vg vg vg vdf Vd f Vd f VvvvdVdVdV012()()v V v tv t非线性电路与系统非线性电路与系统I=f（v）而而 vV0v（t）用台劳级数在用台劳级数在V0展开展开同样可以推广到两个交流激励同样可以推广到两个交流激励的情况的情况0120222221211 22221211223333322311 22 123223112212()()1(2)21(33).6if Vvvf Vfffffvvvv vvVVvV VVffffvv vv vvVV VV
6、VV Company 非线性电容非线性电容()cqQf V2123()()().ooodqdviC vC v vC v vdtdt1()odviC vdt非线性电路与系统非线性电路与系统同理可得：同理可得：1()()oov vdf vC vdv推广：推广：123(,.)cqQfv v v准线性：准线性：式中式中非线性电容两端的电荷与电压的非线性关系为非线性电容两端的电荷与电压的非线性关系为Company 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管非线性电路与系统非线性电路与系统Company 非线性电路与系统非线性电路与系统122()sddqN120()2(1)jQ VCV 耗尽层宽度：耗尽层宽度：式中
7、式中扩散电压扩散电压Nd 掺杂浓度掺杂浓度q电子电荷电子电荷结电荷函数：结电荷函数：0()()(1)jrCdQ VC VdVV结电容函数：结电容函数：式中式中Cj0 零偏压结电容零偏压结电容r一般为一般为1/2，当，当r1/3时称为线性缓变结时称为线性缓变结肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管Company 非线性电路与系统非线性电路与系统()(1)qVkTsI VI e直流直流I/V特性表达式：特性表达式：称为理想化因子，其值大于称为理想化因子，其值大于1，良好制做的二极管约为，良好制做的二极管约为1.2肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管Company 砷化镓场效应晶体管砷化镓场效应晶体管GaAs
8、 MESFET非线性电路与系统非线性电路与系统VdsVgs源极栅极漏级Company 非线性电路与系统非线性电路与系统砷化镓场效应晶体管砷化镓场效应晶体管GaAs MESFETCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统GaAs MESFET 的非线性等效电路的非线性等效电路Company 非线性电路与系统非线性电路与系统半导体器件非线性等效电路模型种类：半导体器件非线性等效电路模型种类：（1）物理基模型（纯理论方法）物理基模型（纯理论方法）由材料特性、器件结构，通过量子力学、电磁场理论求解出由材料特性、器件结构，通过量子力学、电磁场理论求解出等效电路模型及参数。等效电路模型及参数。难度极
9、大，理想方法。难度极大，理想方法。（2）经验基模型（拟合方法）。）经验基模型（拟合方法）。Ss（针对特定的电压、电流和输入功率）（针对特定的电压、电流和输入功率）I/V（直（直流）流）求解出等效电路中的参数求解出等效电路中的参数 是目前最是目前最有效的、最常用的方法。有效的、最常用的方法。相关参考文献见下页相关参考文献见下页（3）测量法（复杂，繁琐，工作量大）。将所有可能性全）测量法（复杂，繁琐，工作量大）。将所有可能性全部测出，然后用软件进行计算部测出，然后用软件进行计算 最费时、最费力的最费时、最费力的砷化镓场效应晶体管砷化镓场效应晶体管GaAs MESFETCompany 非线性电路与系
10、统非线性电路与系统经验基模型参考文献经验基模型参考文献1 Kazuo Shirakawa etc.An approach to determing an equal circuit for HEMT.IEEE.MTT.19952 Gilles Dambrine.A new method for determing the FET small-signal equivelent circuit.IEEE.MTT 19883 Julio C Coasta etc.Fast accurate on wafer extraction of parasitic resistance and induct
11、ances in GaAs MESFET and in HEMTs.IEEE MTT-S 19924 I Anhot.A simple HBT Large-signal model for CAD.IEEE MTT-S 20025 UCSD,Electrical Engeneering Dept.High-speed devices groop.HBT modeling.Rev.9.001A http:/HBT.uesd.edu.March2000砷化镓场效应晶体管砷化镓场效应晶体管GaAs MESFETCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统热模型（温度相关）热模型（温度相关）I=f(V1,V2,V3,Tj)固态器件的非线性等效电路模型中，除了固态器件的非线性等效电路模型中，除了V1,V2,V3之之外还加入了外还加入了Tj（器件温度，结温）参量，它同下列条件有（器件温度，结温）参量，它同下列条件有关：环境温度、耗散功率关：环境温度、耗散功率Pd、器件接地、散热热阻等、器件接地、散热热阻等
