模電第3章半導(dǎo)體器件模型與電容、電感

1、第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感教學(xué)內(nèi)容和要求教學(xué)內(nèi)容和要求掌握二極管模型掌握二極管模型掌握受控電源掌握受控電源掌握晶體管、場效應(yīng)管模型掌握晶體管、場效應(yīng)管模型掌握電容、電感掌握電容、電感第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3.1 二極管模型二極管模型1、二極管、二極管iDuD+_第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感2、二極管的伏安特性、二極管的伏安特性uD /ViD /mAU(BR)Uon正向電流正向電流iD達(dá)到達(dá)到mA級所對應(yīng)的電壓稱為導(dǎo)通

2、電壓級所對應(yīng)的電壓稱為導(dǎo)通電壓Uon，一般，一般Uon=0.60.8V(硅硅)，0.10.3V(鍺鍺)第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3、二極管模型、二極管模型分析二極管應(yīng)用電路涉及二極管伏安特性分析二極管應(yīng)用電路涉及二極管伏安特性非線非線性方程，工程上不采取直接計算的方法性方程，工程上不采取直接計算的方法圖解圖解電路非線性部分電路非線性部分二極管特性曲線二極管特性曲線電路線性部分電路線性部分負(fù)載線負(fù)載線D0OCDiRuu第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感uD/ViD/mA例例1，圖解法估算圖示電路的，圖解法估算圖示電路的uD和和i

3、DDDi3003u負(fù)載線0.727.6)mA(6 . 7i)V(72. 0uDD二極管特性曲線二極管特性曲線iDuD+_3003V+_第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感等效電路等效電路(模型模型)等效電路等效電路用線性元件構(gòu)成的電路來近似非線性用線性元件構(gòu)成的電路來近似非線性器件特性器件特性二極管的大信號等效電路二極管的大信號等效電路iDuD+-Ru+-第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感理想開關(guān)模型理想開關(guān)模型uuuD/ViD/mA第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感iDuD+-iDuD=0+-iD=0uD

4、+-u0uUonuUZuuBE Uon，輸出伏安特性近似，輸出伏安特性近似為等間隔平行線，為等間隔平行線，iC與與iB表現(xiàn)出比例關(guān)系；每條曲表現(xiàn)出比例關(guān)系；每條曲線隨線隨uCE的增大而略有抬升的增大而略有抬升飽和區(qū)飽和區(qū)uCEUon，iC與與iB不再滿足不再滿足比例關(guān)系；比例關(guān)系；uCE受電流影響較小接近常數(shù)受電流影響較小接近常數(shù)截止區(qū)截止區(qū) 只要只要uBEUBEUon第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3、晶體管模型、晶體管模型晶體管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號共存晶體管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號共存+_uIuORcRbUCCUBBRL第第3章章 半導(dǎo)體器件模型

5、與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感+_uIuORcRbUCCUBBRL輸入回路非線性部分輸入回路非線性部分晶體管輸入特性晶體管輸入特性輸入回路線性部分輸入回路線性部分輸入負(fù)載線輸入負(fù)載線BbIBBBEiRuUu第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感+_uIuORcRbUCCUBBRL輸出回路非線性部分輸出回路非線性部分晶體管輸出特性晶體管輸出特性輸出回路線性部分輸出回路線性部分輸出負(fù)載線輸出負(fù)載線CLCCCLcLcCCLcLCEiRUiRRRRURRRu第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感晶體管的直流等效電路晶體管的直流等效電路IBUB

6、EUCEICIB= 40 AIB= 20 AIB= 60 AIC 0IB 1BbBBBEIRUUCLCCCEIRUUBCII第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感UonBIIBUCE+_UBE+_IC+_UBEUCEIBICUCEUBEUon第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感晶體管的小信號等效電路晶體管的小信號等效電路uCEiCiB= 40 AiB= 20 AiBuBEiB= 60 AQuBEiBQuCEiCiC 0iB 1QiBiCBbIBBBEiRuUuCLCCCEiRUuBCii第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與

7、電容、電感放大區(qū)靜態(tài)工作點放大區(qū)靜態(tài)工作點Q附近附近+_uBEuCEiBiCuBE+_uCEiCrcerbeiBBiBQTbeIUr其中CQAceIUrUA為厄利電壓，一般為厄利電壓，一般UA=50100V第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感例例1，圖示晶體管共射放大電路中，圖示晶體管共射放大電路中，=100，UA。求。求(1) 靜態(tài)工作點；靜態(tài)工作點；(2) uI =10sint mV時時的的uO+_uO5.1k24k12VuI+_1V第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感靜態(tài)分析靜態(tài)分析 12V與與1V作用的電路作用的電路晶體管用晶體管

8、用直流等效電路直流等效電路)mA(0125. 0247 . 01RUUIbonBBBQ)mA(25. 10125. 0100IIBQCQ)V(625. 525. 11 . 512IRUUCQcCCCEQ24k0.7VBI100IB1V5.1k12V)V(7 . 0UUonBEQ第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感小信號分析小信號分析 uI作用的電路作用的電路晶體管用小晶體管用小信號等效電路信號等效電路+_uO5.1k2.1k24kiB+_uIBi100)k( 1 . 2)(20800125. 026IUrBQTbe其中CQAceIUr第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容

9、、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感+_uO5.1k2.1k24kiB+_uIBi100)A( tsin369. 01 . 225tsin101 . 224uiIB)mV( tsin2 .188tsin369. 0510i1001 . 5uBO第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感動態(tài)分析動態(tài)分析疊加疊加)V( tsin1882. 0625. 5uUuOCEQO第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3.4 場效應(yīng)管模型場效應(yīng)管模型1、場效應(yīng)管、場效應(yīng)管第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感結(jié)型結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管N溝道溝

10、道P溝道溝道場效應(yīng)管分為場效應(yīng)管分為N溝道溝道結(jié)型結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管P溝道溝道結(jié)型結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管sgds gd第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管)第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管 P溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管s gds gdN溝道耗盡型溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管 P溝道耗盡型溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管s gds gd

11、第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感2、N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的共源伏安特性場效應(yīng)管的共源伏安特性共源輸入伏安特性共源輸入伏安特性uGS為自變量，為自變量，iG為因變量，為因變量，uDS為參變量的曲線族為參變量的曲線族uGS0iG第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感共源共源輸出伏安特性輸出伏安特性可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)uDS=uGSUGS(th)iDuDS0uGS=UGS(th)uGS=2UGS(th)IDOuDS為自變量，為自變量，iD為因變量，為因變量， uGS為參變量的曲線族為參變量的曲線族第第3

12、章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感關(guān)于共源輸出伏安特性關(guān)于共源輸出伏安特性放大區(qū)放大區(qū)uGSUGS(th)且且uDS uGS -UGS(th)，輸出，輸出伏安特性近似為等間隔平行線，伏安特性近似為等間隔平行線，iD與與uGS表現(xiàn)出接表現(xiàn)出接近比例關(guān)系；每條曲線隨近比例關(guān)系；每條曲線隨uDS的增大而略有抬升的增大而略有抬升可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)uGSUGS(th)但但uDSuGS -UGS(th)，iD與與uGS表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系截止區(qū)截止區(qū) 只要只要uGSUGS(th)，UDSUGSUGS(th)增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的共源放大偏置場效應(yīng)管的

13、共源放大偏置形成導(dǎo)形成導(dǎo)電溝道，導(dǎo)電溝道夾斷電溝道，導(dǎo)電溝道夾斷第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3、場效應(yīng)管模型、場效應(yīng)管模型場效應(yīng)管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號共存場效應(yīng)管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號共存+_uIuORdRgUDDUGGRL第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感+_uIuORdRgUDDUGGRL輸入回路非線性部分輸入回路非線性部分場效應(yīng)管輸入特性場效應(yīng)管輸入特性輸入回路線性部分輸入回路線性部分輸入負(fù)載線輸入負(fù)載線IGGGSuUu第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感+_uIuORdRgUDD

14、UGGRL輸出回路非線性部分輸出回路非線性部分場效應(yīng)管輸出特性場效應(yīng)管輸出特性輸出回路線性部分輸出回路線性部分輸出負(fù)載線輸出負(fù)載線DLDDDLdLdDDLdLDSiRUiRRRRURRRu第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感場效應(yīng)管的直流等效電路場效應(yīng)管的直流等效電路UGS0IGIDUDS0UGS=3VUGS=2VUGS=4VUDS= UGSUGS(th)GGGSUUDLDDDSIRUUUGS0IDUGS(th)2)th(GSGSDOD) 1UU(II第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感UDS+_IDUGS2)th(GSGSDO) 1UU

15、(I+_+_UGSUDSIDuGSUGS(th)uDS uGS -UGS(th)第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感場效應(yīng)管的小信號等效電路場效應(yīng)管的小信號等效電路QuGSiGQuDSiDIGGGSuUuDLDDGSiRUuuGS0iGiDuDS0uGS0iDUGS(th)QuGSiDGSmDugi第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感+_uGSuDSiD放大區(qū)靜態(tài)工作點放大區(qū)靜態(tài)工作點Q附近附近uGS+_uDSiDrdsGSmug DQAdsIUrDQDO)th(GSmIIU2g其中第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電

16、容、電感3.5 電容與電感電容與電感電容電容二端元件在任一時刻電壓二端元件在任一時刻電壓u(t)與電與電荷荷q(t)的關(guān)系由的關(guān)系由u(t)-q(t)平面一條曲線確定平面一條曲線確定1、電容的定義、電容的定義q(t) 0u(t)t=t1通常曲線在關(guān)聯(lián)參考方向下通常曲線在關(guān)聯(lián)參考方向下第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感曲線決定了電容電壓曲線決定了電容電壓u(t)與電荷與電荷q(t)之間的約束關(guān)之間的約束關(guān)系系0 t),t (q),t (u f電容方程電容分類電容分類非線性時變電容非線性時變電容非線性時不變電容非線性時不變電容線性時變電容線性時變電容線性時不變電容線性

17、時不變電容第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感 2、線性時不變電容、線性時不變電容線性時不變電容線性時不變電容任一時刻特性曲線是任一時刻特性曲線是u(t)-q(t)平面斜率不變過原點的直線平面斜率不變過原點的直線q(t) C0u(t) 1) t (uC) t (q電容方程第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3、電容的、電容的VCRdt) t (duC)t (Cudtddt) t (dq) t ( itt0tttt000d)( iC1)t (ud)( iC1d )( iC1d )( iC1) t (u或者或者的初始電壓電容在時刻0t0td)

18、( iC1)t (u0第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感關(guān)于電容的關(guān)于電容的VCRi(t)與與u(t)波形不同波形不同如果如果u(t)為恒定值為恒定值(直流直流)i(t)=0，電容相當(dāng)于開，電容相當(dāng)于開路路電容電壓的連續(xù)性電容電壓的連續(xù)性某一時刻某一時刻t0，如果，如果i(t0)有有限，限，u(t0)不能躍變不能躍變 電容電容VCR與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)只對支路的電壓電流給出約束只對支路的電壓電流給出約束 元件約束元件約束)t (u)t (u00dt) t (duC) t ( i第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感例例1，圖示電路中，已知，圖示電路中，已知u(0)=2V，求，求u(t)，t0并并畫出畫出u(t)的波形的波形2Fu(t)i(t)+i(t)/At/s201) s (2t0),V(2t2d101021)0(u) t (ut066)V( 3222) t (u)2(u2t第第3章章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感半導(dǎo)體器件模型與電容、電感t=2時，時，i(2)有限有限u(2+)=u(2-)=3(V) s ( 2t),V( 3d01021) 2(u) t (ut26i(t)/At/s201u(t)/Vt/s2032第第3章章 半導(dǎo)體器件模