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低频电子电路_02z.ppt

上传人:dzzj200808 文档编号:3326710 上传时间:2018-10-13 格式:PPT 页数:66 大小:2.51MB
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资源描述

1、低频电子电路 何丰,-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,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,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,第二章 半导体受控器件基础,鉴于晶体管

2、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。,概 述,晶体管结构及电路符号,发射极E,基极B,集电极C,发射极E,基极B,集电极C,发射结,集电结,第二章 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)集电结面积大。,第二章 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

3、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,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. 放大或击穿情况(导电原理),iEn,iEp,iBB,iCn,ICBO,iE,iC,iB,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,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

4、流子能扩散到集电结边界。,集电结反偏、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,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,忽略ICBO,得,称 为共发射极电流放大系数。,第二章 半导体受控器件基础,ICEO的物理含义:,ICEO指基极开路时,集电极直通到发射极的电流。, iB=0,因此:,第二章 半导体受控器件基础,放大区( VBE 0.7V, VCE0.3V),特点,条件,说明,第二章 半导体受控器件基础,表示

5、,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,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)CEO,iE = 0时,击穿电压记为V(BR)CBO,V(BR)CBO V(BR)CEO,第二章 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:,第二章 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(饱和区与放大区边界),晶体管

6、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,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。,3. 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,通常,在工程上将截止区对应在iB 0的曲线的区域。,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,2.1.2 晶体管安全工作区,最大允许集电极电流ICM,(若ICICM 造成 ),

7、反向击穿电压V(BR)CEO,(若VCEV(BR)CEO 管子击穿),VCEV(BR)CEO,最大允许集电极耗散功率PCM,(PC= IC VCE,若PC PCM 烧管),PCPCM,IC ICM,第二章 半导体受控器件基础,基于外加电量变化频率考虑的电容效应。,制造的精密水平和工艺限制,往往不能满足工程中对一批管子具有的同一性能要求,即管子存在分散性。,注意:NPN型管与PNP型管工作原理相似,但由于它们形成电流的载流子性质不同,结果导致加在各极上的电压极性相反,各电极电流的方向相反。,第二章 半导体受控器件基础,典型晶体管参数的温度特性数据,温度每升高1C, / 增大(0.5 1)%,即:

8、,温度每升高1 C ,VBE(on) 减小(2 2.5)mV,即:,温度每升高10 C ,ICBO 增大一倍,即:,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,晶体管特性展现,第二章 半导体受控器件基础,处于放大区时,晶体管的大信号电压电流函数关系式:,数学模型(指数模型),其中,IEBS指发射结反向饱和电流。,第二章 半导体受控器件基础,埃伯尔斯莫尔模型是晶体管通用模型,它适用于除击穿外的放大、饱和、截止、反向工作情况。,第二章 半导体受控器件基础,注:基于制造因数,F相对R较小。,2.2 场效应管,场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单,

9、器件特性便于控制,是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。,场效应管与晶体管主要区别:,场效应管输入电阻远大于晶体管输入电阻。,场效应管是单极型器件(晶体管是双极型器件)。,场效应管分类:,第二章 半导体受控器件基础,2.2.1 绝缘栅型(MOS)场效应管,N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似,不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同,因此导致加在各极上的电压极性相反。,第二章 半导体受控器件基础,N沟道EMOSFET结构示意图,第二章 半导体受控器件基础,第二章 半导体受控器件基础,衬底U与源极S相连,在无外加电压下,D、S之间已有导电沟道存在, vGS 的大小可以控制该导电沟道的大

10、小。,N沟道DMOS管工作原理,第二章 半导体受控器件基础,栅极电压对沟道厚度的影响分析,N沟道DMOS管工作原理,vGS =夹断电压VGS(off) ,D、S之间已有导电沟道消失。,第二章 半导体受控器件基础,恒定 vGS下的 vGS - iD 关系曲线分析,N沟道DMOS管工作原理,N沟道DMOS管工作原理,第二章 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:,VDS较小的非饱区时,iD与vDS之间呈近似线性关系:,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:非饱和区类似于晶体管的饱和区。,第二章 半导体

11、受控器件基础,若vGS等于零,记iD的为IDSS ,称为饱和漏电流,处于饱和区时,管子具有正向受控作用,服从平方律关系,称为转移特性:,第二章 半导体受控器件基础,若考虑沟道长度调制效应,则iD的修正方程:,其中: 称沟道长度调制系数,其值与沟道l 有关。,通常 =( 0.005 0.03 )V-1 。 VA为厄尔利电压,其值较大。,对式,第二章 半导体受控器件基础,N沟道EMOSFET导电原理,VGS越大,反型层中n 越多,导电能力越强。,第二章 半导体受控器件基础,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Ron不变。,

12、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。,第二章 半导体受控器件基础,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:,VDS ID 基本维持不变。,第二章 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 半导体受控器件基础,若考虑沟道长度调制效应,则VDS 沟道长度l 沟道电阻Ron略

13、。,因此 VDS ID略。,由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线:,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,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,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

14、基础,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,截止区,特点:,相当于MOS管三个电极断开。,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,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th)

15、 = 3V,VDS = 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。,VDS = 5V,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,3.P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即 VDS 0 、VGS 0,外加电压极性相反、电流ID流向相反。,不同之处:,电路符号中的箭头方向相反。,第二章 半导体受控器件基础,4 四种MOS场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,第二章 半导体受控器件基础,饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型,VDS极性取决于沟道类型,N沟道:

16、VDS 0, P沟道:VDS 0,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,增强型MOS管: VGS 与VDS 极性相同。,耗尽型MOS管: VGS 取值任意。,饱和区数学模型与管子类型无关,第二章 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 | = | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |,,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) | ,,饱和区(放大区)工作条件,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |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

17、,2.2.2 结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,第二章 半导体受控器件基础,N沟道JFET管外部工作条件,VDS 0 (保证栅漏PN结反偏),VGS 0 (保证栅源PN结反偏),JFET管工作原理,第二章 半导体受控器件基础,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,第二章 半导体受控器件基础,VDS很小时 VGD VGS,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,VDS对沟道的控制(假设VGS 一定),此时W近似不变,即Ron不变,第二章 半导体受控器件基础,当VDS增加到使VGD =VGS(o

18、ff)时 A点出现预夹断,若VDS 继续A点下移出现夹断区,此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(off) +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:,VDS ID 基本维持不变。,第二章 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,改变阻挡层的宽窄,从而改变导电沟道的宽窄,控制漏极电流ID。,JFET工作原理:,综上所述,JFET与MOSFET工作原理相似,它们都是利用电场效应控制电流,不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。,第二章 半导体受控器件基础,NJFET输出特性,非饱和区(可变电阻区),特点:,

19、ID同时受VGS与VDS的控制。,2. 伏安特性曲线,线性电阻:,第二章 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近似无关。,数学模型:,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,截止区,特点:,沟道全夹断的工作区,条件:,VGS VGS(off),IG0,ID=0,击穿区,VDS 增大到一定值时 近漏极PN结雪崩击穿, 造成 ID剧增。,VGS 越负 则VGD 越负 相应击穿电压V(BR)DS越小,第二章 半导体受控器件基础,JFET转移特性曲线,同MOS管一样,JFE

20、T的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。,ID =0 时对应的VGS值 夹断电压VGS(off) 。,VGS=0 时对应的ID 值 饱和漏电流IDSS。,第二章 半导体受控器件基础,各类FET管VDS、VGS极性比较,由于FET类型较多,单独记忆较困难,现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下:,第二章 半导体受控器件基础,各类FET管VDS、VGS极性比较,VDS极性与ID流向仅取决于沟道类型,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,由于FET类型较多,单独记忆较困难,现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下:,N沟道FET:VDS 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。,第二章 半导体受控器件基础,2.2.3 场效应管与晶体管性能比较,第二章 半导体受控器件基础,由于MOS管COX很小,因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时,感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q /COX),使绝缘层击穿,造成MOS管永久性损坏。,MOS管保护措施:,分立的MOS管:各极引线短接、烙铁外壳接地。,MOS集成电路:,D1 D2一方面限制VGS间最大电压,同时对感 生电荷起旁路作用。,第二章 半导体受控器件基础,

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