低頻電子電路第二章

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1本章將講解現(xiàn)代電路的兩種基礎(chǔ)器件，即雙極型晶體管（簡(jiǎn)稱晶體管，或三極管，簡(jiǎn)記BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)記FET）。這兩種器件既可以單獨(dú)運(yùn)用于電路系統(tǒng)，也可以作為理解現(xiàn)代電路的另一基礎(chǔ)器件——集成電路的基礎(chǔ)單元，因此，對(duì)它們的學(xué)習(xí)是理解、運(yùn)用、設(shè)計(jì)現(xiàn)代電路的基礎(chǔ)。晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電原理雖然有所差異，但它們的導(dǎo)電特性存在類(lèi)似情況，其中的主要區(qū)域均具有受控源的特性。本章將在上章二極管導(dǎo)電基礎(chǔ)上，對(duì)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理講解，初步掌握晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電特性。22.1雙極型晶體管的電量制約關(guān)系晶體管是由三個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域組成的兩個(gè)PN結(jié)所構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)分為NPN和PNP兩類(lèi)。如下一頁(yè)圖所示3

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)4

晶體管的特點(diǎn)1）基區(qū)較薄，集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)。2）發(fā)射區(qū)參雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度，同時(shí)，也大于集電區(qū)的參雜濃度。晶體管管芯典型結(jié)構(gòu)剖面圖發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)5

為了討論的方便，我們用NPN晶體管和圖2-1-3的外加電壓偏置結(jié)構(gòu)來(lái)研究和測(cè)量管子的電阻和控制特性，即電壓電流特性。2.1.1晶體管的導(dǎo)電原理6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：反向工作情況幾乎不被利用。

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：晶體管的四種工作情況下面依次就放大或擊穿情況、飽和情況和截止情況的導(dǎo)電現(xiàn)象進(jìn)行分析。71.

放大或擊穿情況（導(dǎo)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：8

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)邊界的載流子全部漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流。9晶體管的伏安特性外部測(cè)試電路放大時(shí)發(fā)射結(jié)正偏和集電結(jié)反偏的電壓條件，可通過(guò)圖中vBE

>0和vCE

>vBE

來(lái)滿足。10

晶體管特性典型實(shí)測(cè)曲線(放大或擊穿情況)在放大區(qū)，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)。11

放大區(qū)（VBE

0.7V，

VCE>0.3V）特點(diǎn)VCE

曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC=

IB+ICEO0IC/mAVCE/VVA說(shuō)明上翹程度—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)12

的物理含義：β

表示基極電流iB

對(duì)集電極正向受控電流iCn的控制能力。

若忽略ICBO，則：ECBETiCiB

稱β為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。鏈接13ICEO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：

ICEO表征了iC中不受iB控制的部分，越小越好。14

α表示，電流iE

對(duì)集電極正向受控電流iC的控制能力。

由式：

得：

定義：15

為方便日后計(jì)算，由

稱α為共基極電流放大系數(shù)。

可推得：BCEBTiCiE16

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。其iB控制iC的能力消失集電結(jié)反向擊穿電壓，隨iB的增大而減小。注意：iB

=

0時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CEO172.

飽和情況（導(dǎo)電原理）PNN+-+-+V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiBiC飽和時(shí)發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏的電壓條件，可通過(guò)vBE>0和vBE>

vCE>0來(lái)滿足。18

我們可以將飽和情況，看成是放大狀態(tài)下，vCE減小后的情況。

vCE

減小，必然導(dǎo)致集電結(jié)對(duì)基區(qū)電子的吸收能力的減弱，一旦減小致集電結(jié)正偏，基區(qū)電子必將加快脫離集電結(jié)的低電位吸收，而偏向被基極高電位吸收。因此，飽和區(qū)的電流iC

隨vCE

減小而快速減小，電流放大系數(shù)

β

也會(huì)隨之快速變小。19通常，飽和壓降VCE(sat)

硅管VCE(sat)

0.3V鍺管VCE(sat)

0.1V飽和區(qū)vCE較小，電流iC受vCE和iB的雙重影響，對(duì)iC的大小無(wú)特別限制。vCE略增，iC顯著增加。20

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：21IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10AiB

=

-ICBO近似為iB

≤-ICBO以下區(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。當(dāng)

iB=0當(dāng)

iB=-ICBO22

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23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=iC

vCE，若PC>PCM

燒管）PC<PCM

要求iC

ICM24

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(duì)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)致各極電流方向相反，加在各極上的電壓極性相反。25

晶體管參數(shù)的溫度特性

溫度每升高1

C，?

/

增大（0.5

1）%，即：

溫度每升高1

C

，VBE(on)減?。?

2.5）mV,即：

溫度每升高10

C

，ICBO增大一倍，即：

262.2場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)管與晶體管主要區(qū)別：

場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于晶體管輸入電阻。

場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件（晶體管是雙極型器件）。場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)：MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管272.2.1絕緣柵型（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

MOSFET增強(qiáng)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(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。28N+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(hào)l溝道長(zhǎng)度W溝道寬度2930

N溝道EMOS管外部工作條件

VDS>0

(保證柵漏PN結(jié)反偏)。

U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結(jié)反偏)。

VGS>0(形成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS

N溝道EMOS管工作原理柵

襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。31

N溝道EMOSFET溝道形成原理

假設(shè)VDS=0，討論VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空間電荷區(qū)并與PN結(jié)相通VGS

襯底表面層中負(fù)離子、電子VGS

開(kāi)啟電壓VGS(th)形成N型導(dǎo)電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層32VDS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(shí)Ron

→ID

變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+33

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+SGDUVDS-+VGS-+AVDSVDS

→ID基本維持不變。

PP+N+N+SGDU-+VGS-+A34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)似三極管輸出特性。35由于MOS管柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。共源組態(tài)特性曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：

伏安特性+TVDSIG0VGSID+--轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過(guò)程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。36

特性曲線曲線形狀類(lèi)似晶體管輸出特性。37

NEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，VDS

ID近似線性

，表現(xiàn)為一種電阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGS

ID

，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。

38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)。39飽和區(qū)特點(diǎn)：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出類(lèi)似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。40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：其中：稱溝道長(zhǎng)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。41MOS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(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：42

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。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(duì)于l較小的MOS管

穿通擊穿。43

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）。44

襯底U與源極S相連，在無(wú)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PP+N+N+SGDU柵襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。45

柵極電壓對(duì)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。46

恒定

vGS下的

vGS

-

iD

關(guān)系曲線分析

N溝道DMOS管工作原理47

N溝道DMOS管工作原理48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(zhǎng)度。COX

（=/OX）為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)類(lèi)似于晶體管的飽和區(qū)。49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：50若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則iD的修正方程：對(duì)式可見(jiàn)，解析表達(dá)式與NEMOSFET管類(lèi)似。513.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(hào)中的箭頭方向相反。ID52圖2-2-6

不同

P溝道EMOSFET的典型導(dǎo)電特性分析

（a）輸出特性（b）轉(zhuǎn)移特性

534四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)54

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(lèi)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(lèi)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(lèi)型無(wú)關(guān)

55

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)|，562.2.2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+PGSD57

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+-58

VGS對(duì)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

59VDS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(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS一定）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時(shí)W近似不變即Ron不變60

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(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：VDS

→ID基本維持不變。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A61

利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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(chǎng)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。62

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。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-0.5V63

飽和區(qū)(放大區(qū))特點(diǎn)：ID只受VGS控制，而與VDS近似無(wú)關(guān)。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學(xué)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(guān)系，但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。64

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ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V

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65

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(duì)應(yīng)的VGS值

夾斷電壓VGS（off）。VGS(off)ID/mAVGS/V0IDSS

(N溝道