模电第3章 半导体器件模型与电容、电感

教学内容和要求掌握二极管模型掌握受控电源掌握晶体管、场效应管模型掌握电容、电感第3章半导体器件模型与电容、电感3.1二极管模型1、二极管iDuD+_2、二极管的伏安特性uD/ViD/mAU(BR)Uon正向电流iD达到mA级所对应的电压称为导通电压Uon，一般Uon=0.6～0.8V(硅)，0.1～0.3V(锗)3、二极管模型分析二极管应用电路涉及二极管伏安特性——非线性方程，工程上不采取直接计算的方法①图解电路非线性部分——二极管特性曲线电路线性部分——负载线uD/ViD/mA例1，图解法估算图示电路的uD和iD0.727.6二极管特性曲线iDuD+_300Ω3V+_②等效电路(模型)等效电路——用线性元件构成的电路来近似非线性器件特性二极管的大信号等效电路iDuD+-Ru+-＊理想开关模型uuuD/ViD/mAiDuD+-iDuD=0+-iD=0uD+-u>0u<0＊电压源开关模型uuuD/ViD/mAUoniDuD+-iD=0uD+-u>Uonu<UoniDuD=Uon+-例2，等效电路法估算图示电路的uD和iDiDuD+-300Ω3V二极管用电压源开关模型uD=Uon=0.7(V)iD0.7V+-300Ω3V二极管的小信号等效电路——动态电阻模型如果二极管应用电路中u=U+△u——偏置加输入小信号(变化量)iDuD+_RU+_Δu二极管应用电路的动态分析——静态工作点Q附近的二极管电压uD=UDQ+△uD△u足够小条件下，静态工作点Q附近二极管特性线性化，由叠加原理，动态分析=静态分析UDQ+小信号分析△uD二极管应用电路的静态分析——静态工作点Q——偏置U单独作用时二极管电压UDQ二极管应用电路的小信号分析——静态工作点Q附近——小信号△u单独作用时二极管电压△uDQ△uD△iDuD/ViD/mAUU+△u△iD△uD+-静态工作点Q附近△iD△uD+-rd例3，图示电路中△u=100sin(2π×104t)mV，求iDiDuD+_300Ω3V+_△u静态分析——3V单独作用的电路——二极管用电压源开关模型IDQUDQ=0.7V300Ω3V小信号分析——△u单独作用的电路——二极管用动态电阻模型△iDrd+_△u300Ω动态分析——叠加4、稳压管一种专门工作在反向击穿状态的二极管iZuZ+_①稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性——反向击穿特性uZiZUZ-Uon②稳压管模型稳压管的大信号等效电路iZuZ+-Ru+-＊电压源开关模型iZ=0uZ+-u>UZu<UZiZuZ=UZ+-iZuZ+-稳压管的小信号等效电路——动态电阻模型静态工作点Q附近△iZ△uZ+-rz△iZ△uZ+-习题：(p69)1.2、1.43.2受控电源受控电源是由两条支路组成的元件：控制支路——开路或短路，受控支路——特别的电压源或电流源，其电压或电流与控制支路的电压或电流存在约束1、电压控制电压源电压控制电压源——控制支路开路，受控支路在任一时刻电压电流关系由u2(t)-i2(t)平面平行于i2(t)轴的直线族确定，该族直线与控制支路电压u1(t)存在约束u2(t)0i2(t)i1(t)0u1(t)u2(t)0u1(t)12、电流控制电压源电流控制电压源——控制支路短路，受控支路在任一时刻电压电流关系由u2(t)-i2(t)平面平行于i2(t)轴的直线族确定，该族直线与控制支路电流i1(t)存在约束u2(t)0i2(t)u1(t)0i1(t)u2(t)0i1(t)13、电压控制电流源电压控制电流源——控制支路开路，受控支路在任一时刻电压电流关系由u2(t)-i2(t)平面平行于u2(t)轴的直线族确定，该族直线与控制支路电压u1(t)存在约束i2(t)0u2(t)i1(t)0u1(t)i2(t)0u1(t)14、电流控制电流源电流控制电流源——控制支路短路，受控支路在任一时刻电压电流关系由u2(t)-i2(t)平面平行于u2(t)轴的直线族确定，该族直线与控制支路电流i1(t)存在约束i2(t)0u2(t)u1(t)0i1(t)i2(t)0i1(t)1受控电源关联两条支路——控制支路与受控支路受控电压源受控支路的电压与流过本支路的电流无关，但与控制支路的电压或电流存在约束；受控电流源受控支路的电流与本支路两端的电压无关，但与控制支路的电压或电流存在约束受控电源的参考方向——应将控制支路与受控支路的参考方向一起标出，没有控制支路的参考方向，受控电源的参考方向没有意义关于受控电源在电路中一般习惯将控制支路与相邻支路合并而不单独画出例1，求图示电路的I+_6V3Ω3Ω3A3I1II16V电压源单独作用所产生的电流分量I′+_6V3Ω3Ω3I1′I′I1′3A电流源单独作用所产生的电流分量I〞3Ω3Ω3A3I1〞I〞I1〞叠加例2，求图示电路的I2U5Ω10Ω_+UI9A2U5Ω10Ω_+UI9A2Uoc10Ω9AUoc

_+I=0求端口开路电压Uoc时I=05Ω电阻以外的含源电阻单口网络10Ω9AU=0_+IscU求端口短路电流Isc时U=0→2U=0-9A-0.5Ω5ΩI电阻分流电路作业(P157-159)：4-5、4-153.3晶体管模型1、晶体管晶体管分为NPN型与PNP型ebcebcNPN型晶体管PNP型晶体管2、NPN型晶体管的共射伏安特性①共射输入伏安特性uBE为自变量，iB为因变量，uCE为参变量的曲线族iBuBEuCE=0.5VuCE=1VuCE=0V关于共射输入伏安特性类似于二极管的伏安特性uCE

增大时，输入伏安特性略为右移；uCE

对iB的影响较小，曲线族非常密集，可以近似为一条曲线②共射输出伏安特性uCE为自变量，iC为因变量，iB为参变量的曲线族uCEiCiB=

20AiB=

0iB=

40AiB=

60AiB=

80A放大区饱和区截止区关于共射输出伏安特性放大区——uCE

>uBE

>Uon，输出伏安特性近似为等间隔平行线，iC与iB表现出比例关系；每条曲线随uCE的增大而略有抬升饱和区——uCE<uBE但uBE>Uon，iC与iB不再满足比例关系；uCE受电流影响较小接近常数截止区——只要uBE<Uon，iB、iC和iE均为零晶体管的共射放大偏置——发射结正向偏置，集电结反向偏置放大偏置时，NPN型晶体管的电压关系——UCE>UBE>Uon3、晶体管模型晶体管应用电路中，偏置和输入小信号共存++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL输入回路非线性部分——晶体管输入特性输入回路线性部分——输入负载线++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL输出回路非线性部分——晶体管输出特性输出回路线性部分——输出负载线晶体管的直流等效电路IBUBEUCEICIB=

40AIB=

20AIB=

60AIC

0IB

1UonIBUCE+_UBE+_IC++__UBEUCEIBICUCE>UBE>Uon晶体管的小信号等效电路uCEiCiB=

40AiB=

20AiBuBEiB=

60AQΔuBEΔiBQΔuCEΔiCiC

0iB

1QΔiBΔiC放大区静态工作点Q附近++__ΔuBEΔuCEΔiBΔiCΔuBE++__ΔuCEΔiCrcerbeΔiBUA为厄利电压，一般UA=50~100V例1，图示晶体管共射放大电路中，β=100，UA→∞。求(1)静态工作点；(2)ΔuI=10sintmV时的uO+_uO5.1k24k12VΔuI+_1V静态分析——12V与1V作用的电路——晶体管用直流等效电路24k0.7VIB1V5.1k12V小信号分析——ΔuI作用的电路——晶体管用小信号等效电路+_ΔuO5.1k2.1k24kΔiB+_ΔuI+_ΔuO5.1k2.1k24kΔiB+_ΔuI动态分析——叠加3.4场效应管模型1、场效应管结型场效应管N沟道P沟道场效应管分为N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管sgdsgd增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道金属-氧化物-半导体场效应管(MOS场效应管)N沟道增强型MOS场效应管P沟道增强型MOS场效应管sgdsgdN沟道耗尽型MOS场效应管P沟道耗尽型MOS场效应管sgdsgd2、N沟道增强型MOS场效应管的共源伏安特性①共源输入伏安特性uGS为自变量，iG为因变量，uDS为参变量的曲线族uGS0iG②共源输出伏安特性可变电阻区放大区截止区uDS=uGS–UGS(th)iDuDS0uGS=UGS(th)uGS=2UGS(th)IDOuDS为自变量，iD为因变量，uGS为参变量的曲线族关于共源输出伏安特性放大区——uGS>UGS(th)且uDS

>uGS

-UGS(th)，输出伏安特性近似为等间隔平行线，iD与uGS表现出接近比例关系；每条曲线随uDS的增大而略有抬升可变电阻区——uGS>UGS(th)但uDS<uGS

-UGS(th)，iD与uGS表现出明显的非线性关系截止区——只要uGS<UGS(th)，iD和iS均为零放大偏置时，N沟道增强型MOS场效应管的电压关系——UGS>UGS(th)，UDS>UGS–UGS(th)增强型MOS场效应管的共源放大偏置——形成导电沟道，导电沟道夹断3、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++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL输入回路非线性部分——场效应管输入特性输入回路线性部分——输入负载线++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL输出回路非线性部分——场效应管输出特性输出回路线性部分——输出负载线场效应管的直流等效电路UGS0IGIDUDS0UGS=3VUGS=2VUGS=4VUDS=UGS–UGS(th)UGS0IDUGS(th)UDS+_IDUGS+_++__UGSUDSIDuGS>UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)场效应管的小信号等效电路QΔuGSΔiGQΔuDSΔiDuGS0iGiDuDS0uGS0iDUGS(th)QΔuGSΔiD++__ΔuGSΔuDSΔiD放大区静态工作点Q附近ΔuGS++__ΔuDSΔiDrds3.5电容与电感电容——二端元件在任一时刻电压u(t)与电荷q(t)的关系由u(t)-q(t)平面一条曲线确定1、电容的定义q(t)0u(t)t=t1通常曲线在关联参考方向下曲线决定了电容电压u(t)与电荷q(t)之间的约束关系电容分类非线性时变电容非线性时不变电容线性时变电容线性时不变电容2、线性时不变电容线性时不变电容——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q(t)C0u(t)13、电容的VCR或者关于电容的VCRi(t)与u(t)波形不同如果u(t)为恒定值(直流)→i(t)=0，电容相当于开路电容电压的连续性——某一时刻t0，如果i(t0)有限，u(t0)不能跃变————电容VCR与电路结构无关——只对支路的电压电流给出约束——元件约束例1，图示电路中，已知u(0)=2V，求u(t)，t≥0并画出u(t)的波形2μFu(t)i(t)+－i(t)/μAt/s201t=2时，i(2)有限u(2+)=u(2-)=3(V)i(t)/μAt/s201u(t)/Vt/s2032设t=t0时u(t0)=0，电容在任意时刻t的储能4、电容的功率和储能关于电容的储能电容在任意时刻t的储能取决于该时刻的电容电压，与电压波形及电压的建立过程无关，也与电流无关电容在任意时刻t的储能非负，但可增加可减少——电容发出的只是以前吸收的储能，p(t)