低频电子电路02z课件

2.3 2.3 元器件的模型研究与仿真的工程意义元器件的模型研究与仿真的工程意义2.2 2.2 场效应管的电量制约关系场效应管的电量制约关系2.1 2.1 双极型晶体管的电量制约关系双极型晶体管的电量制约关系第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础关注PN结的相互影响，以及制造要求对导电特性影响关注结构对导电特性影响关注仿真模型对电路分析的重要价值低频电子电路低频电子电路2.3 元器件的模型研究与仿真的工程意义2.2 场效应管2.1.2 2.1.2 晶体管特性的进一步描述晶体管特性的进一步描述2.1.1 2.1.1 晶体管的导电原理晶体管的导电原理2.1 2.1 双极型晶体管的电量制约关系双极型晶体管的电量制约关系第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础2.1.3 2.1.3 晶体管应用举例与仿真模型基础晶体管应用举例与仿真模型基础低频电子电路低频电子电路2.1.2 晶体管特性的进一步描述2.1.1 晶体管的导第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础鉴于晶体管与场效应管原理及电路的相似性，先讲清晶体管导电原理，再讲场效应管的导电特性。因半导体因半导体PNPN结结构的复杂性提高，非线性结结构的复杂性提高，非线性导电的区域特性更为复杂。导电的区域特性更为复杂。NPP+P+P+N概概 述述第二章 半导体受控器件基础鉴于晶体管与场效应管原理及电路的晶体管结构及电路符号晶体管结构及电路符号发射极发射极E基极基极BPNN+集电极集电极C发射极发射极E基极基极BNPP+集电极集电极CBCEBCE发射结发射结集电结集电结第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 晶体管结构及电路符号发射极E基极BPNN+集电极C发射极E 晶体管的特点晶体管的特点1 1）发射区高掺杂。）发射区高掺杂。2 2）基区很薄。）基区很薄。3 3）集电结面积大。）集电结面积大。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 晶体管的特点1）发射区高掺杂。2）基区很薄。3）集电结面积发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结正正偏。偏。饱和饱和情况情况：发射结发射结反反偏，集电结偏，集电结反反偏。偏。截止截止情况情况：注意：注意：晶体管的导电特点是以内部结构保证为前提，晶体管的导电特点是以内部结构保证为前提，外部电压范围差异为条件而变化的。外部电压范围差异为条件而变化的。由于结构和掺杂的不同，由于结构和掺杂的不同，反向工作情况反向工作情况的特性的特性不如放大等情况突出，因此该情况不如放大等情况突出，因此该情况几乎不被利用几乎不被利用。发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结反反偏。偏。放大或击穿放大或击穿情况情况：发射结发射结反反偏，集电结偏，集电结正正偏。偏。反向工作反向工作情况：情况：2.1.1 2.1.1 晶体管的导电原理晶体管的导电原理第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础发射结正偏，集电结正偏。饱和情况：发射结反偏，集电结反偏。截 晶体管的伏安特性外部测试电路晶体管的伏安特性外部测试电路第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 晶体管的伏安特性外部测试电路第二章 半导体受控器件基础1.1.放大或击穿情况（导电原理）放大或击穿情况（导电原理）PNN+-+-+V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiE=iEn+iEpiCiC=iCn+ICBOiBiB=iEp+iBB-ICBO=iEp+(iEn-iCn)-ICBO=iE-iC发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结反反偏。偏。放大或击穿放大或击穿情况情况：第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础1.放大或击穿情况（导电原理）PNN+-+-+Vq发射结正偏：发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度基区：减少基区向发射区发射基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射区向基区的多子发射效率。的多子，提高发射区向基区的多子发射效率。q 窄基区的作用：窄基区的作用：保证发射区的多子到达集电结。保证发射区的多子到达集电结。基基区区很很薄薄：可可减减少少基基区区的的复复合合机机会会，保保证证发发射射区区来的绝大部分载流子能扩散到来的绝大部分载流子能扩散到集电结边界集电结边界。q 集集电电结结反反偏偏、且且集集电电结结面面积积大大：保保证证扩扩散散到到集集电电结结边边界界的的基基区区载载流流子子大大部部能能漂漂移移到到集集电电区区，形形成成受受控的集电极电流。控的集电极电流。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度基晶体管特性典型实测曲线晶体管特性典型实测曲线 晶体管的集电极电流晶体管的集电极电流 iC ，主要受正向发射结电压，主要受正向发射结电压vBE控制，而与反向集电结电压控制，而与反向集电结电压vCE近似无关。近似无关。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 晶体管特性典型实测曲线 晶体管的集电极电流 iC，的物理含义：的物理含义：近似表示，基极电流近似表示，基极电流iB对集电极正向受控电流对集电极正向受控电流iCn的控制能力，即的控制能力，即 忽略忽略ICBO，得，得ECBETICIB称称为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 的物理含义：近似表示，基极电流iB 对集电极正 ICEO的物理含义：的物理含义：ICEO指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。直通到发射极的电流。iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0因此：因此：第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 ICEO的物理含义：ICEO指基极开路时，集电极直通到发q 放大区放大区（VBE 0.7V，VCE0.3V）特点特点条件条件发射发射结正偏结正偏集电集电结反偏结反偏VCE曲线略上翘曲线略上翘具有正向受控作用具有正向受控作用满足满足IC=IB+ICEO说明说明IC/mAVCE/V0VA上翘程度上翘程度取决于厄尔利电压取决于厄尔利电压VA上翘原因上翘原因基区宽度调制效应（基区宽度调制效应（VCE IC略略）WBEBC基区宽度调制效应基区宽度调制效应第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 放大区（VBE 0.7V，VCE0.3V）特点条件表示，电流表示，电流iE对集电极正向受控电流对集电极正向受控电流iCn的控制的控制能力。能力。为方便日后计算，由为方便日后计算，由称称为共基极电流放大系数。为共基极电流放大系数。由式：由式：得：得：定义：定义：可推得：可推得：第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 表示，电流 iE 对集电极正向受控电流iCn的q 击穿区击穿区特点：特点：vCE增大到一定值时，集电结反向击穿，增大到一定值时，集电结反向击穿，iC急剧增大。急剧增大。集电结反向击穿电压，随集电结反向击穿电压，随iB的增大而减小。的增大而减小。注意：注意：iB=0时，击穿电压记为时，击穿电压记为V(BR)CEOiE=0时，击穿电压记为时，击穿电压记为V(BR)CBOV(BR)CBOV(BR)CEO第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 击穿区特点：vCE增大到一定值时，集电结反向击穿，iC急剧2.2.饱和情况（导电原理）饱和情况（导电原理）发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结正正偏。偏。饱和饱和情况情况：通常，饱和压降通常，饱和压降VCE(sat)硅管硅管VCE(sat)0.3V锗管锗管VCE(sat)0.1V第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础2.饱和情况（导电原理）发射结正偏，集电结正偏。饱和情况饱和情况直流简化电路模型饱和情况直流简化电路模型 若若忽忽略略饱饱和和压压降降（饱饱和和区区与与放放大大区区边边界界），晶晶体体管管CECE端近似短路。端近似短路。特点：特点：条件：条件：发射发射结正偏，结正偏，集电集电结正偏。结正偏。iC不但受不但受iB控制，也受控制，也受vCE影响。影响。vCE略增，略增，iC显著增加。显著增加。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 饱和情况直流简化电路模型 若忽略饱和压降（饱和区与放大若忽略反向饱和电流，三极管若忽略反向饱和电流，三极管iB 0，iC 0。即晶体管工作于截止模式时，相当于开关断开。即晶体管工作于截止模式时，相当于开关断开。ECBETICIB共发射极共发射极直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC 0IB 03.3.截止情况（导电原理）截止情况（导电原理）发射结发射结反反偏，集电结偏，集电结反反偏。偏。截止截止情况情况：第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 若忽略反向饱和电流，三极管 iB 0，iC 0IC/mAVCE/V0IB=40 A30 A20 A10 AiB=-ICBO近似为近似为 0 iB-ICBO的区域的区域 通常，在工程上将截止区对应在通常，在工程上将截止区对应在iB0的曲线的曲线的区域。的区域。IC/mAVCE/V0IB=40 A30 A20 基于安全考虑的基于安全考虑的PCM限制限制 基于性能一致性考虑基于性能一致性考虑 ICM的限制的限制2.1.2 2.1.2 晶体管特性的进一步描述晶体管特性的进一步描述第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 基于安全考虑的PCM限制 基于性能一致性考虑 ICM的q 2.1.2 2.1.2 晶体晶体管安全工作区管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM最大允许集电极电流最大允许集电极电流ICM（若（若ICICM造成造成 ）反向击穿电压反向击穿电压V(BR)CEO（若（若VCEV(BR)CEO管子击穿）管子击穿）VCEPCM烧管）烧管）PCpVGS越大，反型层中越大，反型层中n越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。PP+N+N+SGDUVDS-+-+PP+N+N+SGDUVDS=0-+-+VGS第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 N沟道EMOSFET导电原理VGS 开启电压VGS(VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGSVGS(th)且保持不变）且保持不变）VDS很小时很小时VGD VGS。此时此时W近似不变近似不变，即即Ron不变不变。由图由图VGD=VGS-VDS因此因此VDS ID线性线性。若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th)且保持当当VDS增加到增加到使使VGD=VGS(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断若若VDS继续继续 A点左移点左移出现夹断区出现夹断区此时此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）（恒定）若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l不变（即不变（即Ron不变）。不变）。因此预夹断后：因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+APP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+AVDS ID基本维持不变。基本维持不变。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 当VDS增加到使VGD=VGS(th)时 A点出现 特性曲线特性曲线曲线形状类似晶体管输出特性。曲线形状类似晶体管输出特性。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 特性曲线曲线形状类似晶体管输出特性。第二章 半导体受控器 若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应则则VDS 沟道长度沟道长度l 沟道电阻沟道电阻Ron略略。因此因此 VDS ID略略。由上述分析可描绘出由上述分析可描绘出ID随随VDS变化变化的关系曲线：的关系曲线：IDVDS0VGSVGS(th)VGS一定一定曲线形状类似晶体管输出特性。曲线形状类似晶体管输出特性。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 若考虑沟道长度调制效应则VDS 沟道长度l 沟解析表达式：解析表达式：此时此时MOS管可看成阻值受管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：控制的线性电阻器：VDS很小很小MOS管工作在非饱区时，管工作在非饱区时，ID与与VDS之间呈线性关系：之间呈线性关系：其中：其中：W、l 为沟道的宽度和长度。为沟道的宽度和长度。COX（=/OX）为单位面积的栅极电容量。）为单位面积的栅极电容量。注意：非饱和区相当于晶体管的饱和区。注意：非饱和区相当于晶体管的饱和区。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础解析表达式：此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：解析表达式：解析表达式：若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：的修正方程：工工作作在在饱饱和和区区时时，MOS管管的的正正向向受受控控作作用用，服服从平方律关系式：从平方律关系式：可见，解析表达式与可见，解析表达式与NDMOSFET管类似。管类似。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础解析表达式：若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称称单极型器件。单极型器件。晶体晶体管中多子、少子同时参与导电，故称管中多子、少子同时参与导电，故称双双极型器件。极型器件。利利用用半半导导体体表表面面的的电电场场效效应应，通通过过栅栅源源电电压压VGS的的变变化化，改改变变感感生生电电荷荷的的多多少少，从从而而改改变变感感生沟道的宽窄，控制漏极电流生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：工作原理：第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称单极型器件。q 截止区截止区特点：特点：相当于相当于MOS管三个电极断开。管三个电极断开。ID/mAVDS/V0VDS=VGSVGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGSVGS(th)ID=0=0以下的工作区域。以下的工作区域。IG0，ID0q 击穿区击穿区 VDS增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬PN结雪崩击穿结雪崩击穿ID剧增。剧增。VDS沟道沟道l 对于对于l 较小的较小的MOS管管穿通击穿。穿通击穿。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS NEMOS管转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=5V 转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控制作的控制作用用,可由输出特性转换得到。可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGSVGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/V012345 转移特性曲线中转移特性曲线中,ID=0时对应的时对应的VGS值值,即开启即开启电压电压VGS（th）。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 NEMOS管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=q 3.3.P沟道沟道EMOS管管+-+-VGSVDS+-+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道沟道EMOS管与管与P沟道沟道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即VDS0、VGS0，P沟道沟道：VDS|VGS(th)|，|VDS|VGSVGS(th)|VGS|VGS(th)|，q 饱和区（放大区）工作条件饱和区（放大区）工作条件|VDS|VGS(th)|，q 非饱和区（可变电阻区）数学模型非饱和区（可变电阻区）数学模型第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 临界饱和工作条件 非饱和区（可变电阻区）工作条件|VDS 2.2.2 2.2.2 结型场效应管结型场效应管q JFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSD第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础2.2.2 结型场效应管 JFET结构示意图及电路符号SGq N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS0(保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)VGS 0(保证栅漏PqVGS对沟道宽度的影响对沟道宽度的影响|VGS|阻挡层宽度阻挡层宽度 若若|VGS|继续继续 沟道全夹断沟道全夹断使使VGS=VGS(off)夹断电压夹断电压若若VDS=0NGSD-+VGSP+P+N型沟道宽度型沟道宽度 沟道电阻沟道电阻Ron 第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 VGS对沟道宽度的影响|VGS|阻挡层宽度若|VG VDS很小时很小时VGD VGS由图由图VGD=VGS-VDS因此因此VDS ID线性线性 若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。此时此时 Ron ID 变慢变慢qVDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS一定一定）NGSD-+VGSP+P+VDS+-此时此时W近似不变近似不变即即Ron不变不变第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 VDS很小时 VGD VGS由图 VGD=V当当VDS增加到增加到使使VGD=VGS(off)时时 A点出现预夹断点出现预夹断若若VDS继续继续 A点下移点下移出现夹断区出现夹断区此时此时VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定）（恒定）若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l不变（即不变（即Ron不变）。不变）。因此预夹断后：因此预夹断后：VDS ID基本维持不变。基本维持不变。NGSD-+VGSP+P+VDS+-ANGSD-+VGSP+P+VDS+-A第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 当VDS增加到使VGD=VGS(off)时 A点出利利用用半半导导体体内内的的电电场场效效应应，通通过过栅栅源源电电压压VGS的的变变化化，改改变变阻阻挡挡层层的的宽宽窄窄，从从而而改改变变导导电电沟沟道的宽窄，控制漏极电流道的宽窄，控制漏极电流ID。JFET工作原理：工作原理：综综上上所所述述，JFET与与MOSFET工工作作原原理理相相似似，它它们们都都是是利利用用电电场场效效应应控控制制电电流流，不不同同之之处处仅仅在于导电沟道形成的原理不同。在于导电沟道形成的原理不同。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改 NJFET输出特性输出特性q 非饱和区非饱和区(可变电阻区可变电阻区)特点：特点：ID同时受同时受VGS与与VDS的控制。的控制。条件：条件：VGSVGS(off)VDSVGS(off)VDSVGSVGS(off)在饱和区，在饱和区，JFET的的ID与与VGS之间也满足平方律关系，但由于之间也满足平方律关系，但由于JFET与与MOS管结构不同，故管结构不同，故方程不同。方程不同。第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 饱和区(放大区)特点：ID只受VGS控制，而与VDS近似无q 截止区截止区特点：特点：沟道全夹断的工作区沟道全夹断的工作区条件：条件：VGSVGS(off)IG0，ID=0q 击穿区击穿区VDS增大增大到一定值时到一定值时近近漏极漏极PN结雪崩击穿结雪崩击穿ID/mAVDS/V0VDS=VGSVGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成造成ID剧增。剧增。VGS越负越负则则VGD越负越负相应相应击穿电压击穿电压V(BR)DS越小越小第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS 0，ID流入管子漏极。流入管子漏极。P沟道沟道FET：VDS0，ID自管子漏极流出。自管子漏极流出。JFET管管：VGS与与VDS极性相反。极性相反。增强型：增强型：VGS与与VDS极性相同。极性相同。耗尽型：耗尽型：VGS取值任意。取值任意。MOSFET管管第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础 各类FET管VDS、VGS极性比较 VDS极性与ID流2.2.3 2.2.3 场效应管与晶体管性能比较场效应管与晶体管性能比较 项目项目器件器件电极名称电极名称工作区工作区导导电电类类型型输输入入电电阻阻跨跨导导晶晶体体管管e e极极b b极极c c极极放放大大区区饱饱和和区区双双极极型型小小大大场效场效应管应管s s极极g g极极d d极极饱饱和和区区非饱非饱和区和区单单极极型型大大小小第二章第二章第二章第二章 半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础半导体受控器件基础2.2.3 场效应管与晶体管性能比较 电极名称工作区第二章