低頻電子電路

低頻電子電路第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.3元器件的模型研究與仿真的工程意義2.2場效應管的電量制約關系2.1雙極型晶體管的電量制約關系第二章半導體受控器件基礎關注PN結(jié)的相互影響，以及制造要求對導電特性影響關注結(jié)構(gòu)對導電特性影響關注仿真模型對電路分析的重要價值《低頻電子電路》第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.1.2晶體管特性的進一步描述2.1.1晶體管的導電原理2.1雙極型晶體管的電量制約關系第二章半導體受控器件基礎2.1.3晶體管應用舉例與仿真模型基礎《低頻電子電路》第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第二章半導體受控器件基礎鑒于晶體管與場效應管原理及電路的相似性，先講清晶體管導電原理，再講場效應管的導電特性。因半導體PN結(jié)結(jié)構(gòu)的復雜性提高，非線性導電的區(qū)域特性更為復雜。NPP+P+P+N概述第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

晶體管結(jié)構(gòu)及電路符號發(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)第二章半導體受控器件基礎第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

晶體管的特點1）發(fā)射區(qū)高摻雜。2）基區(qū)很薄。3）集電結(jié)面積大。第二章半導體受控器件基礎第6頁，共66頁，2023年，2月20日，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：晶體管的導電特點是以內(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晶體管的導電原理第二章半導體受控器件基礎第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

晶體管的伏安特性外部測試電路第二章半導體受控器件基礎第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日1.

放大或擊穿情況（導電原理）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：第二章半導體受控器件基礎第9頁，共66頁，2023年，2月20日，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)的多子到達集電結(jié)。基區(qū)很?。嚎蓽p少基區(qū)的復合機會，保證發(fā)射區(qū)來的絕大部分載流子能擴散到集電結(jié)邊界。

集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴散到集電結(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。第二章半導體受控器件基礎第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

晶體管特性典型實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。第二章半導體受控器件基礎第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

的物理含義：β

近似表示，基極電流iB對集電極正向受控電流iCn的控制能力，即

忽略ICBO，得ECBETICIB

稱β為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。第二章半導體受控器件基礎第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日ICEO的物理含義：

ICEO指基極開路時，集電極直通到發(fā)射極的電流。

∵

iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0

因此：第二章半導體受控器件基礎第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

放大區(qū)（VBE0.7V，

VCE>0.3V）特點條件發(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足IC=IB+ICEO說明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（VCEIC略）WBEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應第二章半導體受控器件基礎第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

α表示，電流iE對集電極正向受控電流iCn的控制能力。

為方便日后計算，由

稱α為共基極電流放大系數(shù)。

由式：

得：

定義：

可推得：第二章半導體受控器件基礎第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

擊穿區(qū)特點：vCE增大到一定值時，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，擊穿電壓記為V(BR)CEOiE=

0時，擊穿電壓記為V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEO第二章半導體受控器件基礎第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.

飽和情況（導電原理）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第二章半導體受控器件基礎第17頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

飽和情況直流簡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：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。第二章半導體受控器件基礎第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

若忽略反向飽和電流，三極管iB0，iC

0。即晶體管工作于截止模式時，相當于開關斷開。ECBETICIB共發(fā)射極直流簡化電路模型ECBEIC0IB03.

截止情況（導電原理）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。截止情況：第二章半導體受控器件基礎第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10AiB=

-ICBO近似為0≤iB≤-ICBO的區(qū)域

通常，在工程上將截止區(qū)對應在iB≤0的曲線的區(qū)域。第20頁，共66頁，2023年，2月20日，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晶體管特性的進一步描述第二章半導體受控器件基礎第21頁，共66頁，2023年，2月20日，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IC>ICM造成）

反向擊穿電壓V(BR)CEO（若VCE>V(BR)CEO

管子擊穿）VCE<V(BR)CEO

最大允許集電極耗散功率PCM（PC=ICVCE，若PC>PCM燒管）PC<PCM

要求ICICM第二章半導體受控器件基礎第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日基于外加電量變化頻率考慮的電容效應。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。第二章半導體受控器件基礎第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

典型晶體管參數(shù)的溫度特性數(shù)據(jù)

溫度每升高1C，?

/

增大（0.5

1）%，即：

溫度每升高1C

，VBE(on)減?。?2.5）mV,即：

溫度每升高10C

，ICBO增大一倍，即：

第二章半導體受控器件基礎第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.1.3晶體管應用舉例與仿真模型基礎

晶體管特性展現(xiàn)

第二章半導體受控器件基礎第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日處于放大區(qū)時，晶體管的大信號電壓電流函數(shù)關系式：

數(shù)學模型（指數(shù)模型）

其中，IEBS指發(fā)射結(jié)反向飽和電流。第二章半導體受控器件基礎第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

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。iE=iF-RiRiC=FiF-iR

其中ECBiEiFRiRiCFiFiRiB第二章半導體受控器件基礎注：基于制造因數(shù)，F(xiàn)相對R較小。第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.2場效應管

場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。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。場效應管與晶體管主要區(qū)別：

場效應管輸入電阻遠大于晶體管輸入電阻。

場效應管是單極型器件（晶體管是雙極型器件）。場效應管分類：MOS場效應管結(jié)型場效應管第二章半導體受控器件基礎第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.2.1絕緣柵型（MOS）場效應管P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

MOSFET增強型（EMOS）

耗盡型（DMOS）

N溝道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，因此導致加在各極上的電壓極性相反。第二章半導體受控器件基礎第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日N+N+P+P+PUSGDN溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖源極漏極襯底極SiO2絕緣層金屬柵極P型硅襯底SGUD電路符號l溝道長度W溝道寬度第二章半導體受控器件基礎第30頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第二章半導體受控器件基礎第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

襯底U與源極S相連，在無外加電壓下，D、S之間已有導電溝道存在，vGS

的大小可以控制該導電溝道的大小。

N溝道DMOS管工作原理柵襯之間相當于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。PP+N+N+SGDU第二章半導體受控器件基礎第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

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之間已有導電溝道消失。第二章半導體受控器件基礎第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

恒定

vGS下的

vGS-iD

關系曲線分析

N溝道DMOS管工作原理第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

N溝道DMOS管工作原理第二章半導體受控器件基礎第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日解析表達式：此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS較小的非飽區(qū)時，iD與vDS之間呈近似線性關系：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)。第二章半導體受控器件基礎第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日若vGS等于零，記iD的為IDSS，稱為飽和漏電流

處于飽和區(qū)時，管子具有正向受控作用，服從平方律關系，稱為轉(zhuǎn)移特性：第二章半導體受控器件基礎第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日若考慮溝道長度調(diào)制效應，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。通常=(0.005~0.03)V-1。VA為厄爾利電壓，其值較大。對式第二章半導體受控器件基礎第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

N溝道EMOSFET導電原理VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導電能力越強。PP+N+N+SGDUVDS-+PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS第二章半導體受控器件基礎第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日VDS對溝道的控制（假設VGS>VGS(th)

且保持不變）VDS很小時

→

VGDVGS。此時W近似不變，即Ron不變。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Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第二章半導體受控器件基礎第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

當VDS增加到使VGD=VGS(th)時→A點出現(xiàn)預夾斷

若VDS繼續(xù)→A點左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為l

不變（即Ron不變）。因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID基本維持不變。

第二章半導體受控器件基礎第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

特性曲線曲線形狀類似晶體管輸出特性。第二章半導體受控器件基礎第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

若考慮溝道長度調(diào)制效應則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變化的關系曲線：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似晶體管輸出特性。第二章半導體受控器件基礎第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日解析表達式：此時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，ID與VDS之間呈線性關系：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)相當于晶體管的飽和區(qū)。第二章半導體受控器件基礎第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日解析表達式：若考慮溝道長度調(diào)制效應，則ID的修正方程：

工作在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關系式：可見，解析表達式與NDMOSFET管類似。第二章半導體受控器件基礎第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱單極型器件。

晶體管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。

利用半導體表面的電場效應，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：第二章半導體受控器件基礎第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

截止區(qū)特點：相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(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。第二章半導體受控器件基礎第47頁，共66頁，2023年，2月20日，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，VGS對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時對應的VGS值,即開啟電壓VGS（th）。第二章半導體受控器件基礎第48頁，共66頁，2023年，2月20日，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。ID第二章半導體受控器件基礎第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日4四種MOS場效應管比較

電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)第二章半導體受控器件基礎第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學模型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)學模型與管子類型無關

第二章半導體受控器件基礎第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

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)學模型第二章半導體受控器件基礎第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.2.2結(jié)型場效應管

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第二章半導體受控器件基礎第53頁，共66頁，2023年，2月20日，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<0(保證柵源PN結(jié)反偏)JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第二章半導體受控器件基礎第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

VGS對溝道寬度的影響|VGS|

阻擋層寬度若|VGS|

繼續(xù)溝道全夾斷使VGS=VGS(off)夾斷電壓若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型溝道寬度溝道電阻Ron第二章半導體受控器件基礎第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日VDS很小時

→

VGDVGS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Ron→ID變慢

VDS對溝道的控制（假設VGS一定）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似不變即Ron不變第二章半導體受控器件基礎第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

當VDS增加到使VGD=VGS(off)時→A點出現(xiàn)預夾斷

若VDS繼續(xù)→A點下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為l

不變（即Ron不變）。因此預夾斷后：VDS→ID基本維持不變。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第二章半導體受控器件基礎第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

利用半導體內(nèi)的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝道的寬窄，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控制電流，不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。第二章半導體受控器件基礎第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

NJFET輸出特性

非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點：ID同時受VGS與VDS的控制。條件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)2.伏安特性曲線線性電阻:ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第二章半導體受控器件基礎第59頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

飽和區(qū)(放大區(qū))特點：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學模型：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)

在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關系，但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。第二章半導體受控器件基礎第60頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

截止區(qū)特點：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS<VGS(off)IG≈0，ID=0

擊穿區(qū)VDS增大到一定值時近漏極PN結(jié)雪崩擊穿ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成