低频电子电路2章(20110924)

1、低频电子电路-人民邮电出版社21世纪高等院校信息与通信工程规划教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材关注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 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。NPP+P+P+N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 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。发射结

2、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。由于结构和，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，掺杂的不同，反向工作情况反向工作情况的特性不如放大或击穿的特性不如放大或击穿情况突出，因此该情况情况突出，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

3、作情况：情况： 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 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：q 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

4、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。 基区很薄基区很薄：可：可减少基区的复合机会，保证发射区减少基区的复合机会，保证发射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 集电结反偏、且集电结面积大：集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。电极电流。 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

5、体管的集电极电流 iC ，主要受正向发射结电，主要受正向发射结电压压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。 的物理含义：的物理含义：CBOBCnBBCnIiiii 表示，基极电流表示，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的控的控制能力。制能力。 若忽略若忽略ICBO，则：，则：BCBCniiiiECBETICIB 称称 为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。CBOBCBOCnC)(1IiIii 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。 i

6、B=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 因此：因此：CBOCBOCBOCBOCnCEO)1 (IIIIIICEOBCIiiq 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 表示，电流表示，电流 iE 对集电

7、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：BCEiiiCBOEC1Iii 得：得： 定义：定义：1CBOBCBOCnC)(1IiIii1 可推得：可推得：1q 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，击穿电压为时，击穿电压为V(BR)CEOiE = 0时，击穿电压为时，击穿电压为V(BR)CB

8、OV(BR)CBO V(BR)CEO 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若忽略饱和压降，晶体管输出端近似短路。若忽略饱和压降，晶体管输出端近似短路。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。 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

9、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 0 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：IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 AiB = - -ICBO 近似为近似为iB - -ICBO 以以下区域下区域 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IB 0的曲线的曲线的区域。的区域。 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

10、限制的限制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）VCE PCM 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 VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS VGS(th) 且保持不变）且保持不变） VDS很小时很

11、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- + - + 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

12、）（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。 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。 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

13、关系曲线：的关系曲线：IDVDS0VGS VGS(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。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：)(222DSDSGS(th)GSOXnDVVVVlWCIGS(th)GSOXnon1VVWClR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

14、区。注意：非饱和区相当于晶体管的饱和区。 DSGS(th)GSOXn)(VVVlWC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： 工作在工作在饱和区时，饱和区时，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服从平方律关系式：从平方律关系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC可见，解析表达式与可见，解析表达式与NDMOSFET管类似。管类似。 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

15、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。 利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，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：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 = VGS VGS(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： VGS

16、 VGS(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。 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 = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAV

17、GS /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） 。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 VDS 0 、VGS 0， P沟道沟道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(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

18、模型非饱和区（可变电阻区）数学模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq 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+PGSDq N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(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，但由之间也满足平方律关系，但由于于JFET与与MOS管结构不同，故管结构不同，故方程不同。方程不同。q 截止区截止区特点：特点：沟道全夹断的工作区