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文档简介
1、低频电子电路第1页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日2.3 元器件的模型研究与仿真的工程意义2.2 场效应管的电量制约关系2.1 双极型晶体管的电量制约关系第二章 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第2页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日2.1.2 晶体管特性的进一步描述2.1.1 晶体管的导电原理2.1 双极型晶体管的电量制约关系第二章 半导体受控器件基础2.1.3 晶体管应用举例与仿真模型基础低频电子电路第3页,共66页,2022年,5月20日,22
2、点46分,星期日第二章 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PN结结构的复杂性提高,非线性导电的区域特性更为复杂。NPP+P+P+N概 述第4页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 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基极BNPP+集电极CBCEBCE发射结集电结第二章 半导体受控器件基础第5页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 晶体管的特点1)发射区高掺杂。2)基区很薄。3)集电结面积大。第二章 半导体受控器件基础第6页,共66页,2022年,5月20日
3、,22点46分,星期日发射结正偏,集电结正偏。饱和情况:发射结反偏,集电结反偏。截止情况: 注意: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。 由于结构和掺杂的不同,反向工作情况的特性不如放大等情况突出,因此该情况几乎不被利用。 发射结正偏,集电结反偏。放大或击穿情况:发射结反偏,集电结正偏。反向工作情况:2.1.1 晶体管的导电原理第二章 半导体受控器件基础第7页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 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第8页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日1. 放大或击穿情况(导电原理
4、) PNN+- +- +V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiE= iEn+iEpiCiC=iCn+ICBOiBiB= iEp+iBB -ICBO = iEp+(iEn-iCn) -ICBO =iE -iC发射结正偏,集电结反偏。放大或击穿情况:第二章 半导体受控器件基础第9页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 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。 窄基区的作用:保证发射区的多子到达集电结。 基区很薄:可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集电结边界。 集
5、电结反偏、且集电结面积大:保证扩散到集电结边界的基区载流子大部能漂移到集电区,形成受控的集电极电流。第二章 半导体受控器件基础第10页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 晶体管特性典型实测曲线 晶体管的集电极电流 iC ,主要受正向发射结电压vBE控制,而与反向集电结电压vCE近似无关。 第二章 半导体受控器件基础第11页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 的物理含义: 近似表示,基极电流iB 对集电极正向受控电流iCn的控制能力,即 忽略ICBO,得ECBETICIB 称 为共发射极电流放大系数。第二章 半导体受控器件基础第12页,共66页,202
6、2年,5月20日,22点46分,星期日 ICEO的物理含义: ICEO指基极开路时,集电极直通到发射极的电流。 iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 因此:第二章 半导体受控器件基础第13页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 放大区( VBE 0.7V, VCE0.3V)特点条件发射结正偏集电结反偏VCE曲线略上翘具有正向受控作用满足IC= IB + ICEO说明IC /mAVCE /V0VA上翘程度取决于厄尔利电压VA上翘原因基区宽度调制效应(VCE IC略)WBEBC基区宽度调制效应第二章 半导体受控器件基础第14页,共66页,2
7、022年,5月20日,22点46分,星期日 表示,电流 iE 对集电极正向受控电流iCn的控制能力。 为方便日后计算,由 称为共基极电流放大系数。 由式: 得: 定义: 可推得:第二章 半导体受控器件基础第15页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 击穿区特点:vCE增大到一定值时,集电结反向击穿,iC急剧增大。集电结反向击穿电压,随iB的增大而减小。注意:iB = 0时,击穿电压记为V(BR)CEOiE = 0时,击穿电压记为V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEO第二章 半导体受控器件基础第16页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日2. 饱
8、和情况(导电原理) 发射结正偏,集电结正偏。饱和情况:通常,饱和压降VCE(sat) 硅管VCE(sat) 0.3V锗管VCE(sat) 0.1V第二章 半导体受控器件基础第17页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 饱和情况直流简化电路模型 若忽略饱和压降(饱和区与放大区边界),晶体管CE端近似短路。特点:条件:发射结正偏,集电结正偏。iC不但受iB控制,也受vCE影响。vCE略增,iC显著增加。第二章 半导体受控器件基础第18页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 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
9、开。 ECBETICIB共发射极直流简化电路模型ECBEIC 0IB 03. 截止情况(导电原理) 发射结反偏,集电结反偏。截止情况:第二章 半导体受控器件基础第19页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 AiB = -ICBO 近似为 0 iB -ICBO 的区域 通常,在工程上将截止区对应在iB 0的曲线的区域。 第20页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 基于安全考虑的PCM限制 基于性能一致性考虑 ICM的限制2.1.2 晶体管特性的进一步描述第二章 半导体受控器件基础第21页,共
10、66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 2.1.2 晶体管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允许集电极电流ICM(若ICICM 造成 ) 反向击穿电压V(BR)CEO(若VCEV(BR)CEO 管子击穿)VCE PCM 烧管)PCpVGS越大,反型层中n 越多,导电能力越强。PP+N+N+SGDUVDS- + PP+N+N+SGDUVDS =0- + VGS第二章 半导体受控器件基础第39页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 VDS对沟道的控制(假设VGS VGS(th) 且保持不变) VDS很小时 VGD VGS 。此时W近似不变,即
11、Ron不变。由图 VGD = VGS - VDS因此 VDSID线性 。 若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。此时 Ron ID 变慢。PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + 第二章 半导体受控器件基础第40页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 当VDS增加到使VGD =VGS(th)时 A点出现预夹断 若VDS 继续A点左移出现夹断区此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS (恒定)若忽略沟道长度调制效应,则近似认为l 不变(即Ron不变)。因此预夹断后:PP+N+N+SGDUVD
12、S- + VGS- + APP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + AVDS ID 基本维持不变。 第二章 半导体受控器件基础第41页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 特性曲线曲线形状类似晶体管输出特性。第二章 半导体受控器件基础第42页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 若考虑沟道长度调制效应则VDS 沟道长度l 沟道电阻Ron略。因此 VDS ID略。由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线:IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定曲线形状类似晶体管输出特性。第二章 半导体受控器件基础第43页,共66页,2022年,5月20日
13、,22点46分,星期日解析表达式:此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器:VDS很小MOS管工作在非饱区时,ID与VDS之间呈线性关系:其中:W、l 为沟道的宽度和长度。COX (= / OX)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。 第二章 半导体受控器件基础第44页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日解析表达式:若考虑沟道长度调制效应,则ID的修正方程: 工作在饱和区时,MOS管的正向受控作用,服从平方律关系式:可见,解析表达式与NDMOSFET管类似。第二章 半导体受控器件基础第45页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日
14、 MOS管仅依靠一种载流子(多子)导电,故称单极型器件。 晶体管中多子、少子同时参与导电,故称双极型器件。 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,从而改变感生沟道的宽窄,控制漏极电流ID。MOSFET工作原理:第二章 半导体受控器件基础第46页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 截止区特点:相当于MOS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条件:VGS VGS(th) ID=0以下的工作区域。IG0,ID0 击穿区 VDS增大到一定值时漏衬PN结雪
15、崩击穿 ID剧增。 VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。第二章 半导体受控器件基础第47页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 NEMOS管转移特性曲线VGS(th) = 3VVDS = 5V 转移特性曲线反映VDS为常数时,VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启电压VGS(th) 。第二章 半导体受控器件基础第48页,共66页,2022年,5月20日,22点
16、46分,星期日 3.P沟道EMOS管+ - VGSVDS+ - SGUDNN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。即 VDS 0 、VGS 0, P沟道:VDS |VGS(th) |,|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | , 饱和区(放大区)工作条件|VDS | |VGS(th) |, 非饱和区(可变电阻区)数学模型第二章 半导体受控器件基础第52页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日2.2.2 结型场效应管 JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD
17、第二章 半导体受控器件基础第53页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 N沟道JFET管外部工作条件 VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在饱和区,JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系,但由于JFET与MOS管结构不同,故方程不同。第二章 半导体受控器件基础第60页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日 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。 P沟道FET:VDS 0,ID自管子漏极流出。 JFET管: VGS与VDS极性相反。 增强型:VGS 与VDS 极性相同。耗尽型:VGS 取值任意。MOSFET管第二章 半导体受控器件基础第64页,共66页,2022年,5月20日,22点46分,星期日2.2.3 场效应管与晶体管性能比较 项目器件电极名称工作区导电类型输入电阻跨导晶体管e极b极c极放大区饱和区双极型小
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