1、低頻電子電路第1頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日2.3 元器件的模型研究與仿真的工程意義2.2 場效應管的電量制約關系2.1 雙極型晶體管的電量制約關系第二章 半導體受控器件基礎關注PN結的相互影響，以及制造要求對導電特性影響關注結構對導電特性影響關注仿真模型對電路分析的重要價值低頻電子電路第2頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日2.1.2 晶體管特性的進一步描述2.1.1 晶體管的導電原理2.1 雙極型晶體管的電量制約關系第二章 半導體受控器件基礎2.1.3 晶體管應用舉例與仿真模型基礎低頻電子電路第3頁，共66頁，2022年，5月20日，22

2、點46分，星期日第二章 半導體受控器件基礎鑒于晶體管與場效應管原理及電路的相似性，先講清晶體管導電原理，再講場效應管的導電特性。因半導體PN結結構的復雜性提高，非線性導電的區域特性更為復雜。NPP+P+P+N概 述第4頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 晶體管結構及電路符號發射極E基極BPNN+集電極C發射極E基極BNPP+集電極CBCEBCE發射結集電結第二章 半導體受控器件基礎第5頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 晶體管的特點1）發射區高摻雜。2）基區很薄。3）集電結面積大。第二章 半導體受控器件基礎第6頁，共66頁，2022年，5月20日

3、，22點46分，星期日發射結正偏，集電結正偏。飽和情況：發射結反偏，集電結反偏。截止情況： 注意：晶體管的導電特點是以內部結構保證為前提，外部電壓范圍差異為條件而變化的。 由于結構和摻雜的不同，反向工作情況的特性不如放大等情況突出，因此該情況幾乎不被利用。 發射結正偏，集電結反偏。放大或擊穿情況：發射結反偏，集電結正偏。反向工作情況：2.1.1 晶體管的導電原理第二章 半導體受控器件基礎第7頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 晶體管的伏安特性外部測試電路第二章 半導體受控器件基礎第8頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日1. 放大或擊穿情況（導電原理

4、） PNN+- +- +V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiE= iEn+iEpiCiC=iCn+ICBOiBiB= iEp+iBB -ICBO = iEp+(iEn-iCn) -ICBO =iE -iC發射結正偏，集電結反偏。放大或擊穿情況：第二章 半導體受控器件基礎第9頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 發射結正偏：保證發射區向基區發射多子。發射區摻雜濃度基區：減少基區向發射區發射的多子，提高發射區向基區的多子發射效率。 窄基區的作用：保證發射區的多子到達集電結。 基區很薄：可減少基區的復合機會，保證發射區來的絕大部分載流子能擴散到集電結邊界。 集

5、電結反偏、且集電結面積大：保證擴散到集電結邊界的基區載流子大部能漂移到集電區，形成受控的集電極電流。第二章 半導體受控器件基礎第10頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 晶體管特性典型實測曲線 晶體管的集電極電流 iC ，主要受正向發射結電壓vBE控制，而與反向集電結電壓vCE近似無關。 第二章 半導體受控器件基礎第11頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 的物理含義： 近似表示，基極電流iB 對集電極正向受控電流iCn的控制能力，即 忽略ICBO，得ECBETICIB 稱 為共發射極電流放大系數。第二章 半導體受控器件基礎第12頁，共66頁，202

6、2年，5月20日，22點46分，星期日 ICEO的物理含義： ICEO指基極開路時，集電極直通到發射極的電流。 iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 因此：第二章 半導體受控器件基礎第13頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 放大區（ VBE 0.7V， VCE0.3V）特點條件發射結正偏集電結反偏VCE曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC= IB + ICEO說明IC /mAVCE /V0VA上翹程度取決于厄爾利電壓VA上翹原因基區寬度調制效應（VCE IC略）WBEBC基區寬度調制效應第二章 半導體受控器件基礎第14頁，共66頁，2

7、022年，5月20日，22點46分，星期日 表示，電流 iE 對集電極正向受控電流iCn的控制能力。 為方便日后計算，由 稱為共基極電流放大系數。 由式： 得： 定義： 可推得：第二章 半導體受控器件基礎第15頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 擊穿區特點：vCE增大到一定值時，集電結反向擊穿，iC急劇增大。集電結反向擊穿電壓，隨iB的增大而減小。注意：iB = 0時，擊穿電壓記為V(BR)CEOiE = 0時，擊穿電壓記為V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEO第二章 半導體受控器件基礎第16頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日2. 飽

8、和情況（導電原理） 發射結正偏，集電結正偏。飽和情況：通常，飽和壓降VCE(sat) 硅管VCE(sat) 0.3V鍺管VCE(sat) 0.1V第二章 半導體受控器件基礎第17頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 飽和情況直流簡化電路模型 若忽略飽和壓降（飽和區與放大區邊界），晶體管CE端近似短路。特點：條件：發射結正偏，集電結正偏。iC不但受iB控制，也受vCE影響。vCE略增，iC顯著增加。第二章 半導體受控器件基礎第18頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 若忽略反向飽和電流，三極管 iB 0，iC 0。即晶體管工作于截止模式時，相當于開關斷

9、開。 ECBETICIB共發射極直流簡化電路模型ECBEIC 0IB 03. 截止情況（導電原理） 發射結反偏，集電結反偏。截止情況：第二章 半導體受控器件基礎第19頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 AiB = -ICBO 近似為 0 iB -ICBO 的區域 通常，在工程上將截止區對應在iB 0的曲線的區域。 第20頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 基于安全考慮的PCM限制 基于性能一致性考慮 ICM的限制2.1.2 晶體管特性的進一步描述第二章 半導體受控器件基礎第21頁，共

10、66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 2.1.2 晶體管安全工作區ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允許集電極電流ICM（若ICICM 造成 ） 反向擊穿電壓V(BR)CEO（若VCEV(BR)CEO 管子擊穿）VCE PCM 燒管）PCpVGS越大，反型層中n 越多，導電能力越強。PP+N+N+SGDUVDS- + PP+N+N+SGDUVDS =0- + VGS第二章 半導體受控器件基礎第39頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 VDS對溝道的控制（假設VGS VGS(th) 且保持不變） VDS很小時 VGD VGS 。此時W近似不變，即

11、Ron不變。由圖 VGD = VGS - VDS因此 VDSID線性 。 若VDS 則VGD 近漏端溝道 Ron增大。此時 Ron ID 變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + 第二章 半導體受控器件基礎第40頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 當VDS增加到使VGD =VGS(th)時 A點出現預夾斷 若VDS 繼續A點左移出現夾斷區此時 VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l 不變（即Ron不變）。因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVD

12、S- + VGS- + APP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + AVDS ID 基本維持不變。 第二章 半導體受控器件基礎第41頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 特性曲線曲線形狀類似晶體管輸出特性。第二章 半導體受控器件基礎第42頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 若考慮溝道長度調制效應則VDS 溝道長度l 溝道電阻Ron略。因此 VDS ID略。由上述分析可描繪出ID隨VDS 變化的關系曲線：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定曲線形狀類似晶體管輸出特性。第二章 半導體受控器件基礎第43頁，共66頁，2022年，5月20日

13、，22點46分，星期日解析表達式：此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽區時，ID與VDS之間呈線性關系：其中：W、l 為溝道的寬度和長度。COX （= / OX）為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區相當于晶體管的飽和區。 第二章 半導體受控器件基礎第44頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日解析表達式：若考慮溝道長度調制效應，則ID的修正方程： 工作在飽和區時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關系式：可見，解析表達式與NDMOSFET管類似。第二章 半導體受控器件基礎第45頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日

14、 MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱單極型器件。 晶體管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。 利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：第二章 半導體受控器件基礎第46頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 截止區特點：相當于MOS管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區條件：VGS VGS(th) ID=0以下的工作區域。IG0，ID0 擊穿區 VDS增大到一定值時漏襯PN結雪

15、崩擊穿 ID劇增。 VDS溝道 l 對于l 較小的MOS管穿通擊穿。第二章 半導體受控器件基礎第47頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 NEMOS管轉移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉移特性曲線反映VDS為常數時，VGS對ID的控制作用,可由輸出特性轉換得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 轉移特性曲線中,ID =0 時對應的VGS值,即開啟電壓VGS（th） 。第二章 半導體受控器件基礎第48頁，共66頁，2022年，5月20日，22點

16、46分，星期日 3.P溝道EMOS管+ - VGSVDS+ - SGUDNN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即 VDS 0 、VGS 0， P溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ， 飽和區（放大區）工作條件|VDS | |VGS(th) |， 非飽和區（可變電阻區）數學模型第二章 半導體受控器件基礎第52頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日2.2.2 結型場效應管 JFET結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD

17、第二章 半導體受控器件基礎第53頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 N溝道JFET管外部工作條件 VDS 0 (保證柵漏PN結反偏)VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關系，但由于JFET與MOS管結構不同，故方程不同。第二章 半導體受控器件基礎第60頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日 截止區特點：溝道全夾斷的工作區條件：VGS 0，ID流入管子漏極。 P溝道FET：VDS 0，ID自管子漏極流出。 JFET管： VGS與VDS極性相反。 增強型：VGS 與VDS 極性相同。耗盡型：VGS 取值任意。MOSFET管第二章 半導體受控器件基礎第64頁，共66頁，2022年，5月20日，22點46分，星期日2.2.3 場效應管與晶體管性能比較 項目器件電極名稱工作區導電類型輸入電阻跨導晶體管e極b極c極放大區飽和區雙極型小