模电第3章半导体器件模型与电容、电感

1、第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感教学内容和要求教学内容和要求掌握二极管模型掌握二极管模型掌握受控电源掌握受控电源掌握晶体管、场效应管模型掌握晶体管、场效应管模型掌握电容、电感掌握电容、电感第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感3.1 二极管模型二极管模型1、二极管、二极管iDuD+_第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感2、二极管的伏安特性、二极管的伏安特性uD /ViD /mAU(BR)Uon正向电流正向电流iD达到达到mA级所对应的电压称为导通

2、电压级所对应的电压称为导通电压Uon，一般，一般Uon=0.60.8V(硅硅)，0.10.3V(锗锗)第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感3、二极管模型、二极管模型分析二极管应用电路涉及二极管伏安特性分析二极管应用电路涉及二极管伏安特性非线非线性方程，工程上不采取直接计算的方法性方程，工程上不采取直接计算的方法图解图解电路非线性部分电路非线性部分二极管特性曲线二极管特性曲线电路线性部分电路线性部分负载线负载线D0OCDiRuu第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感uD/ViD/mA例例1，图解法估算图示电路的，图解法估算图示电路的uD和和i

3、DDDi3003u负载线0.727.6)mA(6 . 7i)V(72. 0uDD二极管特性曲线二极管特性曲线iDuD+_3003V+_第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感等效电路等效电路(模型模型)等效电路等效电路用线性元件构成的电路来近似非线性用线性元件构成的电路来近似非线性器件特性器件特性二极管的大信号等效电路二极管的大信号等效电路iDuD+-Ru+-第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感理想开关模型理想开关模型uuuD/ViD/mA第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感iDuD+-iDuD=0+-iD=0uD

4、+-u0uUonuUZuuBE Uon，输出伏安特性近似，输出伏安特性近似为等间隔平行线，为等间隔平行线，iC与与iB表现出比例关系；每条曲表现出比例关系；每条曲线随线随uCE的增大而略有抬升的增大而略有抬升饱和区饱和区uCEUon，iC与与iB不再满足不再满足比例关系；比例关系；uCE受电流影响较小接近常数受电流影响较小接近常数截止区截止区 只要只要uBEUBEUon第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感3、晶体管模型、晶体管模型晶体管应用电路中，偏置和输入小信号共存晶体管应用电路中，偏置和输入小信号共存+_uIuORcRbUCCUBBRL第第3章章 半导体器件模型

5、与电容、电感半导体器件模型与电容、电感+_uIuORcRbUCCUBBRL输入回路非线性部分输入回路非线性部分晶体管输入特性晶体管输入特性输入回路线性部分输入回路线性部分输入负载线输入负载线BbIBBBEiRuUu第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感+_uIuORcRbUCCUBBRL输出回路非线性部分输出回路非线性部分晶体管输出特性晶体管输出特性输出回路线性部分输出回路线性部分输出负载线输出负载线CLCCCLcLcCCLcLCEiRUiRRRRURRRu第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感晶体管的直流等效电路晶体管的直流等效电路IBUB

6、EUCEICIB= 40 AIB= 20 AIB= 60 AIC 0IB 1BbBBBEIRUUCLCCCEIRUUBCII第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感UonBIIBUCE+_UBE+_IC+_UBEUCEIBICUCEUBEUon第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感晶体管的小信号等效电路晶体管的小信号等效电路uCEiCiB= 40 AiB= 20 AiBuBEiB= 60 AQuBEiBQuCEiCiC 0iB 1QiBiCBbIBBBEiRuUuCLCCCEiRUuBCii第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与

7、电容、电感放大区静态工作点放大区静态工作点Q附近附近+_uBEuCEiBiCuBE+_uCEiCrcerbeiBBiBQTbeIUr其中CQAceIUrUA为厄利电压，一般为厄利电压，一般UA=50100V第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感例例1，图示晶体管共射放大电路中，图示晶体管共射放大电路中，=100，UA。求。求(1) 静态工作点；静态工作点；(2) uI =10sint mV时时的的uO+_uO5.1k24k12VuI+_1V第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感静态分析静态分析 12V与与1V作用的电路作用的电路晶体管用晶体管

8、用直流等效电路直流等效电路)mA(0125. 0247 . 01RUUIbonBBBQ)mA(25. 10125. 0100IIBQCQ)V(625. 525. 11 . 512IRUUCQcCCCEQ24k0.7VBI100IB1V5.1k12V)V(7 . 0UUonBEQ第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感小信号分析小信号分析 uI作用的电路作用的电路晶体管用小晶体管用小信号等效电路信号等效电路+_uO5.1k2.1k24kiB+_uIBi100)k( 1 . 2)(20800125. 026IUrBQTbe其中CQAceIUr第第3章章 半导体器件模型与电容

9、、电感半导体器件模型与电容、电感+_uO5.1k2.1k24kiB+_uIBi100)A( tsin369. 01 . 225tsin101 . 224uiIB)mV( tsin2 .188tsin369. 0510i1001 . 5uBO第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感动态分析动态分析叠加叠加)V( tsin1882. 0625. 5uUuOCEQO第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感3.4 场效应管模型场效应管模型1、场效应管、场效应管第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感结型结型场效应管场效应管N沟道沟

10、道P沟道沟道场效应管分为场效应管分为N沟道沟道结型结型场效应管场效应管P沟道沟道结型结型场效应管场效应管sgds gd第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管(MOS场效应管场效应管)第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管 P沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管s gds gdN沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管s gds gd

11、第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感2、N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的共源伏安特性场效应管的共源伏安特性共源输入伏安特性共源输入伏安特性uGS为自变量，为自变量，iG为因变量，为因变量，uDS为参变量的曲线族为参变量的曲线族uGS0iG第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感共源共源输出伏安特性输出伏安特性可变电阻区可变电阻区放大区放大区截止区截止区uDS=uGSUGS(th)iDuDS0uGS=UGS(th)uGS=2UGS(th)IDOuDS为自变量，为自变量，iD为因变量，为因变量， uGS为参变量的曲线族为参变量的曲线族第第3

12、章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感关于共源输出伏安特性关于共源输出伏安特性放大区放大区uGSUGS(th)且且uDS uGS -UGS(th)，输出，输出伏安特性近似为等间隔平行线，伏安特性近似为等间隔平行线，iD与与uGS表现出接表现出接近比例关系；每条曲线随近比例关系；每条曲线随uDS的增大而略有抬升的增大而略有抬升可变电阻区可变电阻区uGSUGS(th)但但uDSuGS -UGS(th)，iD与与uGS表现出明显的非线性关系表现出明显的非线性关系截止区截止区 只要只要uGSUGS(th)，UDSUGSUGS(th)增强型增强型MOS场效应管的共源放大偏置场效应管的

13、共源放大偏置形成导形成导电沟道，导电沟道夹断电沟道，导电沟道夹断第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感3、场效应管模型、场效应管模型场效应管应用电路中，偏置和输入小信号共存场效应管应用电路中，偏置和输入小信号共存+_uIuORdRgUDDUGGRL第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感+_uIuORdRgUDDUGGRL输入回路非线性部分输入回路非线性部分场效应管输入特性场效应管输入特性输入回路线性部分输入回路线性部分输入负载线输入负载线IGGGSuUu第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感+_uIuORdRgUDD

14、UGGRL输出回路非线性部分输出回路非线性部分场效应管输出特性场效应管输出特性输出回路线性部分输出回路线性部分输出负载线输出负载线DLDDDLdLdDDLdLDSiRUiRRRRURRRu第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感场效应管的直流等效电路场效应管的直流等效电路UGS0IGIDUDS0UGS=3VUGS=2VUGS=4VUDS= UGSUGS(th)GGGSUUDLDDDSIRUUUGS0IDUGS(th)2)th(GSGSDOD) 1UU(II第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感UDS+_IDUGS2)th(GSGSDO) 1UU

15、(I+_+_UGSUDSIDuGSUGS(th)uDS uGS -UGS(th)第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感场效应管的小信号等效电路场效应管的小信号等效电路QuGSiGQuDSiDIGGGSuUuDLDDGSiRUuuGS0iGiDuDS0uGS0iDUGS(th)QuGSiDGSmDugi第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感+_uGSuDSiD放大区静态工作点放大区静态工作点Q附近附近uGS+_uDSiDrdsGSmug DQAdsIUrDQDO)th(GSmIIU2g其中第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电

16、容、电感3.5 电容与电感电容与电感电容电容二端元件在任一时刻电压二端元件在任一时刻电压u(t)与电与电荷荷q(t)的关系由的关系由u(t)-q(t)平面一条曲线确定平面一条曲线确定1、电容的定义、电容的定义q(t) 0u(t)t=t1通常曲线在关联参考方向下通常曲线在关联参考方向下第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感曲线决定了电容电压曲线决定了电容电压u(t)与电荷与电荷q(t)之间的约束关之间的约束关系系0 t),t (q),t (u f电容方程电容分类电容分类非线性时变电容非线性时变电容非线性时不变电容非线性时不变电容线性时变电容线性时变电容线性时不变电容线性

17、时不变电容第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感 2、线性时不变电容、线性时不变电容线性时不变电容线性时不变电容任一时刻特性曲线是任一时刻特性曲线是u(t)-q(t)平面斜率不变过原点的直线平面斜率不变过原点的直线q(t) C0u(t) 1) t (uC) t (q电容方程第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感3、电容的、电容的VCRdt) t (duC)t (Cudtddt) t (dq) t ( itt0tttt000d)( iC1)t (ud)( iC1d )( iC1d )( iC1) t (u或者或者的初始电压电容在时刻0t0td)

18、( iC1)t (u0第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感关于电容的关于电容的VCRi(t)与与u(t)波形不同波形不同如果如果u(t)为恒定值为恒定值(直流直流)i(t)=0，电容相当于开，电容相当于开路路电容电压的连续性电容电压的连续性某一时刻某一时刻t0，如果，如果i(t0)有有限，限，u(t0)不能跃变不能跃变 电容电容VCR与电路结构无关与电路结构无关只对支路的电压电流给出约束只对支路的电压电流给出约束 元件约束元件约束)t (u)t (u00dt) t (duC) t ( i第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感例例1，图示电路中，已知，图示电路中，已知u(0)=2V，求，求u(t)，t0并并画出画出u(t)的波形的波形2Fu(t)i(t)+i(t)/At/s201) s (2t0),V(2t2d101021)0(u) t (ut066)V( 3222) t (u)2(u2t第第3章章 半导体器件模型与电容、电感半导体器件模型与电容、电感t=2时，时，i(2)有限有限u(2+)=u(2-)=3(V) s ( 2t),V( 3d01021) 2(u) t (ut26i(t)/At/s201u(t)/Vt/s2032第第3章章 半导体器件模