低頻電子電路02章20120305.ppt

2 3元器件的模型研究與仿真的工程意義 2 2場效應(yīng)管的電量制約關(guān)系 2 1雙極型晶體管的電量制約關(guān)系 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) PN結(jié)的相互影響 以及制造要求是構(gòu)成導(dǎo)電區(qū)域特性的關(guān)鍵 結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電區(qū)域特性形成的關(guān)鍵 關(guān)注仿真模型對電路分析的重要價(jià)值 低頻電子電路 2 1 2晶體管特性的進(jìn)一步描述 2 1 1晶體管的導(dǎo)電原理 2 1雙極型晶體管的電量制約關(guān)系 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 2 1 3晶體管應(yīng)用舉例與仿真模型基礎(chǔ) 低頻電子電路 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 鑒于晶體管與場效應(yīng)管原理及電路的相似性 先講清晶體管導(dǎo)電原理 再講場效應(yīng)管的導(dǎo)電特性 因半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性提高 非線性導(dǎo)電的區(qū)域特性更為復(fù)雜 概述 晶體管結(jié)構(gòu)及電路符號 發(fā)射極E 基極B 集電極C 發(fā)射極E 基極B 集電極C 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 晶體管的特點(diǎn) 1 發(fā)射區(qū)高摻雜 2 基區(qū)很薄 3 集電結(jié)面積大 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)正偏 飽和情況 發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)反偏 截止情況 注意 晶體管的導(dǎo)電特點(diǎn)是以內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證為前提 外部電壓范圍差異為條件而變化的 由于結(jié)構(gòu)和摻雜的不同 反向工作情況的特性不如放大等情況突出 因此該情況幾乎不被利用 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 放大或擊穿情況 發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)正偏 反向工作情況 2 1 1晶體管的導(dǎo)電原理 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 晶體管的伏安特性 外部測試電路 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 在電壓EC遠(yuǎn)大于EB時(shí) 可以保證集電結(jié)反偏 否則集電結(jié)正偏 1 放大或擊穿情況下的導(dǎo)電原理 iE iBB iCn ICBO iE iC iB 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 放大或擊穿情況 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 發(fā)射結(jié)正偏 保證發(fā)射區(qū)在價(jià)電子層面和自由電子層面的電子 NPN 向基區(qū)聚集 發(fā)射區(qū)摻雜濃度 基區(qū) 減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子 提高發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子發(fā)射效率 窄基區(qū)的作用 保證聚集于基區(qū)的電子到達(dá)集電結(jié)邊界 基區(qū)很薄 可減少基極補(bǔ)充電子的機(jī)會(huì) 即保證發(fā)射區(qū)來的絕大部分電子能擴(kuò)散到集電結(jié)邊界 集電結(jié)反偏 且集電結(jié)面積大 保證發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的電子大部能在集電結(jié)反偏電壓的漂移作用下 形成受控的集電極電流 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 放大或擊穿情況下的典型實(shí)測曲線 晶體管的集電極電流iC 主要受正向發(fā)射結(jié)電壓vBE控制 而與反向集電結(jié)電壓vCE近似無關(guān) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 忽略ICBO 得 稱 為共發(fā)射極電流放大系數(shù) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) ICEO的物理含義 ICEO指基極開路時(shí) 集電極直通到發(fā)射極的電流 iB 0 因此 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 放大區(qū) VBE 0 7V VCE 0 3V 特點(diǎn) 條件 說明 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 表示 電流iE對集電極正向受控電流iCn的控制能力 為方便日后計(jì)算 由 稱 為共基極電流放大系數(shù) 由式 得 定義 可推得 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 擊穿區(qū) 特點(diǎn) vCE增大到一定值時(shí) 集電結(jié)反向擊穿 iC急劇增大 集電結(jié)反向擊穿電壓 隨iB的增大而減小 注意 iB 0時(shí) 擊穿電壓記為V BR CEO iE 0時(shí) 擊穿電壓記為V BR CBO V BR CBO V BR CEO 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 2 飽和情況的實(shí)測曲線分析 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)正偏 飽和情況 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) CE相當(dāng)于一條導(dǎo)線 電壓很小 電流很大 飽和情況的特點(diǎn) 若忽略飽和壓降 飽和區(qū)與放大區(qū)邊界 晶體管CE端近似短路 特點(diǎn) 條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)正偏 iC不但受iB控制 也受vCE影響 vCE略增 iC顯著增加 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 若忽略反向飽和電流 三極管iB 0 iC 0 即晶體管工作于截止模式時(shí) 相當(dāng)于開關(guān)斷開 3 截止情況的特點(diǎn) 發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)反偏 截止情況 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 通常 在工程上將截止區(qū)對應(yīng)在iB 0的曲線的區(qū)域 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 基于安全考慮的PCM限制 最大允許集電極耗散功率 2 1 2晶體管特性的進(jìn)一步描述 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) PC ICVCE 若PC PCM 燒管 2 1 2晶體管安全工作區(qū) 反向擊穿電壓V BR CEO 若VCE V BR CEO 管子擊穿 VCE V BR CEO PC PCM IC ICM 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 基于性能一致性考慮ICM的限制 若IC ICM 造成 基于外加電量變化頻率考慮的電容效應(yīng) 制造的精密水平和工藝限制 往往不能滿足工程中對一批管子具有的同一性能要求 即管子存在分散性 注意 NPN型管與PNP型管工作原理相似 但由于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同 結(jié)果導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反 各電極電流的方向相反 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 典型晶體管參數(shù)的溫度特性數(shù)據(jù) 溫度每升高1 C 增大 0 5 1 即 溫度每升高1 C VBE on 減小 2 2 5 mV 即 溫度每升高10 C ICBO增大一倍 即 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 2 1 3晶體管應(yīng)用舉例與仿真模型基礎(chǔ) 晶體管特性展現(xiàn) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 提高VBB的值 可以讓整個(gè)波形全部通過 叫做甲類放大器 處于放大區(qū)時(shí) 晶體管的大信號電壓電流函數(shù)關(guān)系式 數(shù)學(xué)模型 指數(shù)模型 其中 IEBS指發(fā)射結(jié)反向飽和電流 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 埃伯爾斯 莫爾模型是晶體管通用模型 它適用于除擊穿外的放大 飽和 截止 反向工作情況 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 注 基于制造因數(shù) F相對 R較小 2 2場效應(yīng)管 場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件 它體積小 工藝簡單 器件特性便于控制 是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件 場效應(yīng)管與晶體管主要區(qū)別 場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于晶體管輸入電阻 場效應(yīng)管是單極型器件 晶體管是雙極型器件 場效應(yīng)管分類 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 只有一種載流子參與導(dǎo)電 BJT是兩種都參與 2 2 1絕緣柵型 MOS 場效應(yīng)管 N溝道 channel MOS管與P溝道MOS管工作原理相似 不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同 因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) N溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) G gateD drain DS兩極通常相接 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 襯底U與源極S相連 在無外加電壓下 D S之間已有導(dǎo)電溝道存在 vGS的大小可以控制該導(dǎo)電溝道的大小 N溝道DMOS管工作原理 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 柵極電壓對溝道厚度的影響分析 N溝道DMOS管工作原理 vGS 夾斷電壓VGS off D S之間已有導(dǎo)電溝道消失 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 恒定vGS下的vDS iD關(guān)系曲線分析 N溝道DMOS管工作原理 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) N溝道DMOS管工作原理 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 解析表達(dá)式 此時(shí)MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器 VDS較小的非飽和區(qū)時(shí) iD與vDS之間呈近似線性關(guān)系 其中 W l為溝道的寬度和長度 COX OX 為單位面積的柵極電容量 注意 非飽和區(qū)類似于晶體管的飽和區(qū) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 若vGS等于零 記iD的為IDSS 稱為飽和漏電流 處于飽和區(qū)時(shí) 管子具有正向受控作用 服從平方律關(guān)系 稱為轉(zhuǎn)移特性 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng) 則iD的修正方程 其中 稱溝道長度調(diào)制系數(shù) 其值與溝道l有關(guān) 通常 0 005 0 03 V 1 VA為厄爾利電壓 其值較大 對式 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) N溝道EMOSFET導(dǎo)電原理 VGS越大 反型層中n越多 導(dǎo)電能力越強(qiáng) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) VDS對溝道的控制 假設(shè)VGS VGS th 且保持不變 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 特性曲線 曲線形狀類似晶體管輸出特性 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng) 則VDS 溝道長度l 溝道電阻Ron略 因此VDS ID略 由上述分析可描繪出ID隨VDS變化的關(guān)系曲線 曲線形狀類似晶體管輸出特性 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 解析表達(dá)式 此時(shí)MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器 VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時(shí) ID與VDS之間呈線性關(guān)系 其中 W l為溝道的寬度和長度 COX OX 為單位面積的柵極電容量 注意 非飽和區(qū)相當(dāng)于晶體管的飽和區(qū) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 解析表達(dá)式 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng) 則ID的修正方程 工作在飽和區(qū)時(shí) MOS管的正向受控作用 服從平方律關(guān)系式 可見 解析表達(dá)式與NDMOSFET管類似 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) MOS管僅依靠一種載流子 多子 導(dǎo)電 故稱單極型器件 晶體管中多子 少子同時(shí)參與導(dǎo)電 故稱雙極型器件 利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng) 通過柵源電壓VGS的變化 改變感生電荷的多少 從而改變感生溝道的寬窄 控制漏極電流ID MOSFET工作原理 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 截止區(qū) 特點(diǎn) 相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開 溝道未形成時(shí)的工作區(qū) 條件 VGS VGS th ID 0以下的工作區(qū)域 IG 0 ID 0 擊穿區(qū) VDS增大到一定值時(shí) 漏襯PN結(jié)雪崩擊穿 ID劇增 VDS 溝道l 對于l較小的MOS管 穿通擊穿 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線 VGS th 3V VDS 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時(shí) VGS對ID的控制作用 可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到 VDS 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線中 ID 0時(shí)對應(yīng)的VGS值 即開啟電壓VGS th 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 3 P溝道EMOS管 N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似 即VDS 0 VGS 0 外加電壓極性相反 電流ID流向相反 不同之處 電路符號中的箭頭方向相反 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 4四種MOS場效應(yīng)管比較 電路符號及電流流向 轉(zhuǎn)移特性 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 飽和區(qū) 放大區(qū) 外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型 VDS極性取決于溝道類型 N溝道 VDS 0 P溝道 VDS 0 VGS極性取決于工作方式及溝道類型 增強(qiáng)型MOS管 VGS與VDS極性相同 耗盡型MOS管 VGS取值任意 飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型與管子類型無關(guān) 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 臨界飽和工作條件 非飽和區(qū) 可變電阻區(qū) 工作條件 VDS VGS VGS th VGS VGS th VDS VGS VGS th VGS VGS th 飽和區(qū) 放大區(qū) 工作條件 VDS VGS VGS th VGS VGS th 非飽和區(qū) 可變電阻區(qū) 數(shù)學(xué)模型 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 2 2 2結(jié)型場效應(yīng)管 JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) N溝道JFET管外部工作條件 VDS 0 保證柵漏PN結(jié)反偏 VGS 0 保證柵源PN結(jié)反偏 JFET管工作原理 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) VGS對溝道寬度的影響 若VDS 0 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) VDS很小時(shí) VGD VGS 由圖VGD VGS VDS 因此VDS ID線性 若VDS 則VGD 近漏端溝道 Ron增大 此時(shí)Ron ID 變慢 VDS對溝道的控制 假設(shè)VGS一定 此時(shí)W近似不變 即Ron不變 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 當(dāng)VDS增加到使VGD VGS off 時(shí) A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若VDS繼續(xù) A點(diǎn)下移 出現(xiàn)夾斷區(qū) 此時(shí)VAS VAG VGS VGS off VGS 恒定 若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng) 則近似認(rèn)為l不變 即Ron不變 因此預(yù)夾斷后 VDS ID基本維持不變 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng) 通過柵源電壓VGS的變化 改變阻擋層的寬窄 從而改變導(dǎo)電溝道的寬窄 控制漏極電流ID JFET工作原理 綜上所述 JFET與MOSFET工作原理相似 它們都是利用電場效應(yīng)控制電流 不同之處僅在于導(dǎo)電溝道形成的原理不同 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) NJFET輸出特性 非飽和區(qū) 可變電阻區(qū) 特點(diǎn) ID同時(shí)受VGS與VDS的控制 2 伏安特性曲線 線性電阻 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 飽和區(qū) 特點(diǎn) ID只受VGS控制 而與VDS近似無關(guān) 數(shù)學(xué)模型 在飽和區(qū) JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關(guān)系 但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同 故方程不同 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 截止區(qū) 特點(diǎn) 溝道全夾斷的工作區(qū) 條件 VGS VGS off IG 0 ID 0 擊穿區(qū) VDS增大到一定值時(shí) 近漏極PN結(jié)雪崩擊穿 造成ID劇增 VGS越負(fù) 則VGD越負(fù) 相應(yīng)擊穿電壓V BR DS越小 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) JFET轉(zhuǎn)移特性曲線 同MOS管一樣 JFET的轉(zhuǎn)移特性也可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到 略 ID 0時(shí)對應(yīng)的VGS值 夾斷電壓VGS off VGS 0時(shí)對應(yīng)的ID值 飽和漏電流IDSS 第二章半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ) 各類FE