模電第3章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感

教學(xué)內(nèi)容和要求掌握二極管模型掌握受控電源掌握晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管模型掌握電容、電感第3章半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3.1二極管模型1、二極管iDuD+_2、二極管的伏安特性u(píng)D/ViD/mAU(BR)Uon正向電流iD達(dá)到mA級(jí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為導(dǎo)通電壓Uon，一般Uon=0.6～0.8V(硅)，0.1～0.3V(鍺)3、二極管模型分析二極管應(yīng)用電路涉及二極管伏安特性——非線性方程，工程上不采取直接計(jì)算的方法①圖解電路非線性部分——二極管特性曲線電路線性部分——負(fù)載線uD/ViD/mA例1，圖解法估算圖示電路的uD和iD0.727.6二極管特性曲線iDuD+_300Ω3V+_②等效電路(模型)等效電路——用線性元件構(gòu)成的電路來(lái)近似非線性器件特性二極管的大信號(hào)等效電路iDuD+-Ru+-＊理想開(kāi)關(guān)模型uuuD/ViD/mAiDuD+-iDuD=0+-iD=0uD+-u>0u<0＊電壓源開(kāi)關(guān)模型uuuD/ViD/mAUoniDuD+-iD=0uD+-u>Uonu<UoniDuD=Uon+-例2，等效電路法估算圖示電路的uD和iDiDuD+-300Ω3V二極管用電壓源開(kāi)關(guān)模型uD=Uon=0.7(V)iD0.7V+-300Ω3V二極管的小信號(hào)等效電路——?jiǎng)討B(tài)電阻模型如果二極管應(yīng)用電路中u=U+△u——偏置加輸入小信號(hào)(變化量)iDuD+_RU+_Δu二極管應(yīng)用電路的動(dòng)態(tài)分析——靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近的二極管電壓uD=UDQ+△uD△u足夠小條件下，靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近二極管特性線性化，由疊加原理，動(dòng)態(tài)分析=靜態(tài)分析UDQ+小信號(hào)分析△uD二極管應(yīng)用電路的靜態(tài)分析——靜態(tài)工作點(diǎn)Q——偏置U單獨(dú)作用時(shí)二極管電壓UDQ二極管應(yīng)用電路的小信號(hào)分析——靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近——小信號(hào)△u單獨(dú)作用時(shí)二極管電壓△uDQ△uD△iDuD/ViD/mAUU+△u△iD△uD+-靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近△iD△uD+-rd例3，圖示電路中△u=100sin(2π×104t)mV，求iDiDuD+_300Ω3V+_△u靜態(tài)分析——3V單獨(dú)作用的電路——二極管用電壓源開(kāi)關(guān)模型IDQUDQ=0.7V300Ω3V小信號(hào)分析——△u單獨(dú)作用的電路——二極管用動(dòng)態(tài)電阻模型△iDrd+_△u300Ω動(dòng)態(tài)分析——疊加4、穩(wěn)壓管一種專(zhuān)門(mén)工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管iZuZ+_①穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管的伏安特性——反向擊穿特性u(píng)ZiZUZ-Uon②穩(wěn)壓管模型穩(wěn)壓管的大信號(hào)等效電路iZuZ+-Ru+-＊電壓源開(kāi)關(guān)模型iZ=0uZ+-u>UZu<UZiZuZ=UZ+-iZuZ+-穩(wěn)壓管的小信號(hào)等效電路——?jiǎng)討B(tài)電阻模型靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近△iZ△uZ+-rz△iZ△uZ+-習(xí)題：(p69)1.2、1.43.2受控電源受控電源是由兩條支路組成的元件：控制支路——開(kāi)路或短路，受控支路——特別的電壓源或電流源，其電壓或電流與控制支路的電壓或電流存在約束1、電壓控制電壓源電壓控制電壓源——控制支路開(kāi)路，受控支路在任一時(shí)刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于i2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電壓u1(t)存在約束u2(t)0i2(t)i1(t)0u1(t)u2(t)0u1(t)12、電流控制電壓源電流控制電壓源——控制支路短路，受控支路在任一時(shí)刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于i2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電流i1(t)存在約束u2(t)0i2(t)u1(t)0i1(t)u2(t)0i1(t)13、電壓控制電流源電壓控制電流源——控制支路開(kāi)路，受控支路在任一時(shí)刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于u2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電壓u1(t)存在約束i2(t)0u2(t)i1(t)0u1(t)i2(t)0u1(t)14、電流控制電流源電流控制電流源——控制支路短路，受控支路在任一時(shí)刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于u2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電流i1(t)存在約束i2(t)0u2(t)u1(t)0i1(t)i2(t)0i1(t)1受控電源關(guān)聯(lián)兩條支路——控制支路與受控支路受控電壓源受控支路的電壓與流過(guò)本支路的電流無(wú)關(guān)，但與控制支路的電壓或電流存在約束；受控電流源受控支路的電流與本支路兩端的電壓無(wú)關(guān)，但與控制支路的電壓或電流存在約束受控電源的參考方向——應(yīng)將控制支路與受控支路的參考方向一起標(biāo)出，沒(méi)有控制支路的參考方向，受控電源的參考方向沒(méi)有意義關(guān)于受控電源在電路中一般習(xí)慣將控制支路與相鄰支路合并而不單獨(dú)畫(huà)出例1，求圖示電路的I+_6V3Ω3Ω3A3I1II16V電壓源單獨(dú)作用所產(chǎn)生的電流分量I′+_6V3Ω3Ω3I1′I′I1′3A電流源單獨(dú)作用所產(chǎn)生的電流分量I〞3Ω3Ω3A3I1〞I〞I1〞疊加例2，求圖示電路的I2U5Ω10Ω_+UI9A2U5Ω10Ω_+UI9A2Uoc10Ω9AUoc

_+I=0求端口開(kāi)路電壓Uoc時(shí)I=05Ω電阻以外的含源電阻單口網(wǎng)絡(luò)10Ω9AU=0_+IscU求端口短路電流Isc時(shí)U=0→2U=0-9A-0.5Ω5ΩI電阻分流電路作業(yè)(P157-159)：4-5、4-153.3晶體管模型1、晶體管晶體管分為NPN型與PNP型ebcebcNPN型晶體管PNP型晶體管2、NPN型晶體管的共射伏安特性①共射輸入伏安特性u(píng)BE為自變量，iB為因變量，uCE為參變量的曲線族iBuBEuCE=0.5VuCE=1VuCE=0V關(guān)于共射輸入伏安特性類(lèi)似于二極管的伏安特性u(píng)CE

增大時(shí)，輸入伏安特性略為右移；uCE

對(duì)iB的影響較小，曲線族非常密集，可以近似為一條曲線②共射輸出伏安特性u(píng)CE為自變量，iC為因變量，iB為參變量的曲線族uCEiCiB=

20AiB=

0iB=

40AiB=

60AiB=

80A放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)關(guān)于共射輸出伏安特性放大區(qū)——uCE

>uBE

>Uon，輸出伏安特性近似為等間隔平行線，iC與iB表現(xiàn)出比例關(guān)系；每條曲線隨uCE的增大而略有抬升飽和區(qū)——uCE<uBE但uBE>Uon，iC與iB不再滿足比例關(guān)系；uCE受電流影響較小接近常數(shù)截止區(qū)——只要uBE<Uon，iB、iC和iE均為零晶體管的共射放大偏置——發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置放大偏置時(shí)，NPN型晶體管的電壓關(guān)系——UCE>UBE>Uon3、晶體管模型晶體管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號(hào)共存++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL輸入回路非線性部分——晶體管輸入特性輸入回路線性部分——輸入負(fù)載線++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL輸出回路非線性部分——晶體管輸出特性輸出回路線性部分——輸出負(fù)載線晶體管的直流等效電路IBUBEUCEICIB=

40AIB=

20AIB=

60AIC

0IB

1UonIBUCE+_UBE+_IC++__UBEUCEIBICUCE>UBE>Uon晶體管的小信號(hào)等效電路uCEiCiB=

40AiB=

20AiBuBEiB=

60AQΔuBEΔiBQΔuCEΔiCiC

0iB

1QΔiBΔiC放大區(qū)靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近++__ΔuBEΔuCEΔiBΔiCΔuBE++__ΔuCEΔiCrcerbeΔiBUA為厄利電壓，一般UA=50~100V例1，圖示晶體管共射放大電路中，β=100，UA→∞。求(1)靜態(tài)工作點(diǎn)；(2)ΔuI=10sintmV時(shí)的uO+_uO5.1k24k12VΔuI+_1V靜態(tài)分析——12V與1V作用的電路——晶體管用直流等效電路24k0.7VIB1V5.1k12V小信號(hào)分析——ΔuI作用的電路——晶體管用小信號(hào)等效電路+_ΔuO5.1k2.1k24kΔiB+_ΔuI+_ΔuO5.1k2.1k24kΔiB+_ΔuI動(dòng)態(tài)分析——疊加3.4場(chǎng)效應(yīng)管模型1、場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管N溝道P溝道場(chǎng)效應(yīng)管分為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管sgdsgd增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOS場(chǎng)效應(yīng)管)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管sgdsgdN溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管sgdsgd2、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的共源伏安特性①共源輸入伏安特性u(píng)GS為自變量，iG為因變量，uDS為參變量的曲線族uGS0iG②共源輸出伏安特性可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)uDS=uGS–UGS(th)iDuDS0uGS=UGS(th)uGS=2UGS(th)IDOuDS為自變量，iD為因變量，uGS為參變量的曲線族關(guān)于共源輸出伏安特性放大區(qū)——uGS>UGS(th)且uDS

>uGS

-UGS(th)，輸出伏安特性近似為等間隔平行線，iD與uGS表現(xiàn)出接近比例關(guān)系；每條曲線隨uDS的增大而略有抬升可變電阻區(qū)——uGS>UGS(th)但uDS<uGS

-UGS(th)，iD與uGS表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系截止區(qū)——只要uGS<UGS(th)，iD和iS均為零放大偏置時(shí)，N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的電壓關(guān)系——UGS>UGS(th)，UDS>UGS–UGS(th)增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的共源放大偏置——形成導(dǎo)電溝道，導(dǎo)電溝道夾斷3、場(chǎng)效應(yīng)管模型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號(hào)共存++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL輸入回路非線性部分——場(chǎng)效應(yīng)管輸入特性輸入回路線性部分——輸入負(fù)載線++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL輸出回路非線性部分——場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性輸出回路線性部分——輸出負(fù)載線場(chǎng)效應(yīng)管的直流等效電路UGS0IGIDUDS0UGS=3VUGS=2VUGS=4VUDS=UGS–UGS(th)UGS0IDUGS(th)UDS+_IDUGS+_++__UGSUDSIDuGS>UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)等效電路QΔuGSΔiGQΔuDSΔiDuGS0iGiDuDS0uGS0iDUGS(th)QΔuGSΔiD++__ΔuGSΔuDSΔiD放大區(qū)靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近ΔuGS++__ΔuDSΔiDrds3.5電容與電感電容——二端元件在任一時(shí)刻電壓u(t)與電荷q(t)的關(guān)系由u(t)-q(t)平面一條曲線確定1、電容的定義q(t)0u(t)t=t1通常曲線在關(guān)聯(lián)參考方向下曲線決定了電容電壓u(t)與電荷q(t)之間的約束關(guān)系電容分類(lèi)非線性時(shí)變電容非線性時(shí)不變電容線性時(shí)變電容線性時(shí)不變電容2、線性時(shí)不變電容線性時(shí)不變電容——任一時(shí)刻特性曲線是u(t)-q(t)平面斜率不變過(guò)原點(diǎn)的直線q(t)C0u(t)13、電容的VCR或者關(guān)于電容的VCRi(t)與u(t)波形不同如果u(t)為恒定值(直流)→i(t)=0，電容相當(dāng)于開(kāi)路電容電壓的連續(xù)性——某一時(shí)刻t0，如果i(t0)有限，u(t0)不能躍變————電容VCR與電路結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)——只對(duì)支路的電壓電流給出約束——元件約束例1，圖示電路中，已知u(0)=2V，求u(t)，t≥0并畫(huà)出u(t)的波形2μFu(t)i(t)+－i(t)/μAt/s201t=2時(shí)，i(2)有限u(2+)=u(2-)=3(V)i(t)/μAt/s201u(t)/Vt/s2032設(shè)t=t0時(shí)u(t0)=0，電容在任意時(shí)刻t的儲(chǔ)能4、電容的功率和儲(chǔ)能關(guān)于電容的儲(chǔ)能電容在任意時(shí)刻t的儲(chǔ)能取決于該時(shí)刻的電容電壓，與電壓波形及電壓的建立過(guò)程無(wú)關(guān)，也與電流無(wú)關(guān)電容在任意時(shí)刻t的儲(chǔ)能非負(fù)，但可增加可減少——電容發(fā)出的只是以前吸收的儲(chǔ)能，p(t)