低頻電子電路

1、低頻電子電路第1頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日2.3 元器件的模型研究與仿真的工程意義2.2 場(chǎng)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)關(guān)注PN結(jié)的相互影響，以及制造要求對(duì)導(dǎo)電特性影響關(guān)注結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電特性影響關(guān)注仿真模型對(duì)電路分析的重要價(jià)值低頻電子電路第2頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日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3頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22

2、點(diǎn)46分，星期日第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)鑒于晶體管與場(chǎng)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(chǎng)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。NPP+P+P+N概 述第4頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 晶體管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)發(fā)射極E基極BPNN+集電極C發(fā)射極E基極BNPP+集電極CBCEBCE發(fā)射結(jié)集電結(jié)第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第5頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 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)第6頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日

3、，22點(diǎn)46分，星期日發(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?xún)?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)第7頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 晶體管的伏安特性外部測(cè)試電路第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第8頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日1. 放大或擊穿情況（導(dǎo)電原理

4、） PNN+- +- +V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiE= iEn+iEpiCiC=iCn+ICBOiBiB= iEp+iBB -ICBO = iEp+(iEn-iCn) -ICBO =iE -iC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)第9頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 發(fā)射結(jié)正偏：保證發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子。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：保證發(fā)射區(qū)的多子到達(dá)集電結(jié)。 基區(qū)很?。嚎蓽p少基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，保證發(fā)射區(qū)來(lái)的絕大部分載流子能擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。 集

5、電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的基區(qū)載流子大部能漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流。第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第10頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 晶體管特性典型實(shí)測(cè)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(wú)關(guān)。 第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第11頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 的物理含義： 近似表示，基極電流iB 對(duì)集電極正向受控電流iCn的控制能力，即 忽略ICBO，得ECBETICIB 稱(chēng) 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)第12頁(yè)，共66頁(yè)，202

6、2年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 ICEO的物理含義： ICEO指基極開(kāi)路時(shí)，集電極直通到發(fā)射極的電流。 iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 因此：第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第13頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 放大區(qū)（ VBE 0.7V， VCE0.3V）特點(diǎn)條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏VCE曲線略上翹具有正向受控作用滿(mǎn)足IC= IB + ICEO說(shuō)明IC /mAVCE /V0VA上翹程度取決于厄爾利電壓VA上翹原因基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（VCE IC略）WBEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第14頁(yè)，共66頁(yè)，2

7、022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 表示，電流 iE 對(duì)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(chēng)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)第15頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 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)CEOiE = 0時(shí)，擊穿電壓記為V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEO第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第16頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日2. 飽

8、和情況（導(dǎo)電原理） 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。飽和情況：通常，飽和壓降VCE(sat) 硅管VCE(sat) 0.3V鍺管VCE(sat) 0.1V第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第17頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 飽和情況直流簡(jiǎn)化電路模型 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)第18頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 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(kāi)關(guān)斷

9、開(kāi)。 ECBETICIB共發(fā)射極直流簡(jiǎn)化電路模型ECBEIC 0IB 03. 截止情況（導(dǎo)電原理） 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)第19頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 AiB = -ICBO 近似為 0 iB -ICBO 的區(qū)域 通常，在工程上將截止區(qū)對(duì)應(yīng)在iB 0的曲線的區(qū)域。 第20頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 基于安全考慮的PCM限制 基于性能一致性考慮 ICM的限制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)第21頁(yè)，共

10、66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 2.1.2 晶體管安全工作區(qū)ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允許集電極電流ICM（若ICICM 造成 ） 反向擊穿電壓V(BR)CEO（若VCEV(BR)CEO 管子擊穿）VCE PCM 燒管）PCpVGS越大，反型層中n 越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。PP+N+N+SGDUVDS- + PP+N+N+SGDUVDS =0- + VGS第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第39頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS VGS(th) 且保持不變） VDS很小時(shí) VGD VGS 。此時(shí)W近似不變，即

11、Ron不變。由圖 VGD = VGS - VDS因此 VDSID線性 。 若VDS 則VGD 近漏端溝道 Ron增大。此時(shí) Ron ID 變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + 第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第40頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 當(dāng)VDS增加到使VGD =VGS(th)時(shí) A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若VDS 繼續(xù)A點(diǎn)左移出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí) VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）若忽略溝道長(zhǎng)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：PP+N+N+SGDUVD

12、S- + VGS- + APP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + AVDS ID 基本維持不變。 第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第41頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 特性曲線曲線形狀類(lèi)似晶體管輸出特性。第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第42頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)則VDS 溝道長(zhǎng)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：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定曲線形狀類(lèi)似晶體管輸出特性。第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第43頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日

13、，22點(diǎn)46分，星期日解析表達(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(zhǎng)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)第44頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日解析表達(dá)式：若考慮溝道長(zhǎng)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(jiàn)，解析表達(dá)式與NDMOSFET管類(lèi)似。第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第45頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日

14、 MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱(chēng)單極型器件。 晶體管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱(chēng)雙極型器件。 利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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)第46頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 截止區(qū)特點(diǎn)：相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開(kāi)。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V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。IG0，ID0 擊穿區(qū) VDS增大到一定值時(shí)漏襯PN結(jié)雪

15、崩擊穿 ID劇增。 VDS溝道 l 對(duì)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)第47頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時(shí)，VGS對(duì)ID的控制作用,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 轉(zhuǎn)移特性曲線中,ID =0 時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值,即開(kāi)啟電壓VGS（th） 。第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第48頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)

16、46分，星期日 3.P溝道EMOS管+ - VGSVDS+ - SGUDNN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即 VDS 0 、VGS 0， P溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ， 飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS | |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)第52頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日2.2.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD

17、第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第53頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 N溝道JFET管外部工作條件 VDS 0 (保證柵漏PN結(jié)反偏)VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿(mǎn)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)第60頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日 截止區(qū)特點(diǎn)：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS 0，ID流入管子漏極。 P溝道FET：VDS 0，ID自管子漏極流出。 JFET管： VGS與VDS極性相反。 增強(qiáng)型：VGS 與VDS 極性相同。耗盡型：VGS 取值任意。MOSFET管第二章 半導(dǎo)體受控器件基礎(chǔ)第64頁(yè)，共66頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)46分，星期日2.2.3 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管性能比較 項(xiàng)目器件電極名稱(chēng)工作區(qū)導(dǎo)電類(lèi)型輸入電阻跨導(dǎo)晶體管e極b極c極放大區(qū)飽和區(qū)雙極型小