第2章+半導(dǎo)體器件

1、復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)第 2 章半導(dǎo)體器件復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)22022-2-5這一章，我們要討論什么?本章研究半導(dǎo)體器件：1.半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)2.半導(dǎo)體材料是如何構(gòu)成的半導(dǎo)體電子元器件的？3.半導(dǎo)體電子元器件有怎樣的電路特性？復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)32022-2-5歷史簡(jiǎn)述n19世紀(jì)末期，無(wú)線電通信被發(fā)明，當(dāng)時(shí)采用金屬粉末作為檢波器件n20世紀(jì)上半葉，電真空器件成為電子學(xué)器件的主力n1948年，巴丁、布萊頓和肖克利發(fā)明晶體三極管John Bardeen, William Shockley, and Walter Brattain (le

2、ft to right)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)42022-2-5半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)載流子及其運(yùn)動(dòng)PN結(jié)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)52022-2-5半導(dǎo)體材料nSi,Ge,GaAs,.n4價(jià)元素或化合物n電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間n具有類似的結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)62022-2-5本征半導(dǎo)體n4價(jià)元素，外層有4個(gè)電子n每個(gè)原子與周圍4個(gè)原子形成共價(jià)鍵n本征激發(fā)：價(jià)電子受熱（或光照）獲得能量 脫離共價(jià)鍵 載流子（電子與空穴）+4空穴+4+4+4+4+4自由電子由于本征激發(fā)的載流子濃度不高，所以本征半導(dǎo)體材料的電阻率較高由于本

3、征激發(fā)受溫度與光照的影響較大，所以本征半導(dǎo)體材料的電阻率對(duì)于溫度和光照敏感復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)72022-2-5雜質(zhì)半導(dǎo)體n施主雜質(zhì)V族元素共價(jià)鍵多余1個(gè)電子材料中電子多于空穴N型半導(dǎo)體n受主雜質(zhì)III族元素共價(jià)鍵缺少1個(gè)電子材料中空穴多于電子P型半導(dǎo)體+4空穴+4+4+3+4+4+4+4+4+5+4+4自由電子復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)82022-2-5雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度n多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）基本上由摻雜形成，所以多子濃度接近摻雜濃度n少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）由本征激發(fā)形成n多子濃度遠(yuǎn)大于少子濃度n若在一塊半導(dǎo)體材料中同時(shí)摻入施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，則產(chǎn)生

4、雜質(zhì)補(bǔ)償作用，雜質(zhì)半導(dǎo)體的特性由摻雜濃度高的雜質(zhì)所決定 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)92022-2-5載流子的運(yùn)動(dòng)n擴(kuò)散載流子濃度梯度作用下載流子定向運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散電流的大小取決于載流子濃度梯度以及載流子的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而加大，遷移率高的載流子擴(kuò)散系數(shù)也大n漂移電場(chǎng)作用下的載流子定向運(yùn)動(dòng)電子與空穴的漂移速度(遷移率，記為 n和 p)不同，電子的遷移率大于空穴的，遷移率隨溫度升高也隨摻雜濃度上升而下降復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)102022-2-5PNPN結(jié)n利用雜質(zhì)補(bǔ)償原理，在P型和N型半導(dǎo)體的界面上形成PN結(jié)n在PN結(jié)的界面上發(fā)生載流子的擴(kuò)散n由于復(fù)合作用，界

5、面上載流子被耗盡（耗盡層）復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)112022-2-5n耗盡層內(nèi)由于離子帶電形成空間電荷區(qū)n空間電荷形成內(nèi)建電場(chǎng)n內(nèi)建電場(chǎng)引起的漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，最終阻止載流子的進(jìn)一步移動(dòng)+-PN內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)122022-2-5PN結(jié)的勢(shì)壘高度n由于空間電荷區(qū)存在內(nèi)建電場(chǎng)，電子在各處的電勢(shì)能不同，形成勢(shì)壘P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)電子電勢(shì)能電子電勢(shì)能低電子電勢(shì)能高qVB22lnlnADADBTiiNNNNkTVVqnnCmV/dTdVB 2復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)132022-2-5正向偏置的PN結(jié) n 外電場(chǎng)與內(nèi)

6、建電場(chǎng)方向相反n 勢(shì)壘寬度減小，勢(shì)壘高度降低n 少子漂移削弱，多子擴(kuò)散加強(qiáng) n 產(chǎn)生很大的正向電流P N復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)142022-2-5反向偏置的PN結(jié) n外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同n勢(shì)壘寬度增加，勢(shì)壘高度增加n多子擴(kuò)散削弱，少子漂移有加強(qiáng)趨勢(shì) n由于少子數(shù)目有限，反向電流很小P N復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)152022-2-5PN結(jié)的伏安特性 nIs 是PN結(jié)的反向飽和電流nIs 正比于PN結(jié)的面積、電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)、平衡載流子濃度，反比于載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度n對(duì)于硅PN結(jié)來(lái)說(shuō)， Is(10-1410-15)A exp()1exp()1ssTqVVIII

7、kTV復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)162022-2-5PN結(jié)的伏安特性的特點(diǎn)n正向電流基本上服從指數(shù)規(guī)律。當(dāng)V 4VT后，有n反向電流基本上是恒值，等于Isn單向?qū)щ娞匦詄xp()1exp()26mV, (300K)ssTTTVVIIIVVkTVq復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)172022-2-5PN結(jié)的擊穿特性 n反向電壓增加到達(dá)某個(gè)極限時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的反向電流突然增加，稱為PN結(jié)的擊穿 V(V)I(mA)-6-3-2-4-9-12雪崩擊穿齊納擊穿復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)182022-2-5雪崩擊穿n反向電壓增加 勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度增加 勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的載流子

8、動(dòng)能增加 碰撞加劇 原子電離 新產(chǎn)生載流子（電子和空穴） 進(jìn)一步增加碰撞 n 雪崩擊穿電壓較高（大致高于5 6伏）n 雪崩擊穿具有正溫度系數(shù)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)192022-2-5齊納擊穿n高摻雜 勢(shì)壘區(qū)薄 足夠高的場(chǎng)強(qiáng) 價(jià)電子獲得足夠的能量 脫離共價(jià)鍵的束縛成為自由電子反向電流急劇增加擊穿n高摻雜的PN結(jié)的擊穿電壓比較低，大致低于56Vn具有負(fù)溫度系數(shù) 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)202022-2-5PN結(jié)的擴(kuò)散電容n正向偏置情況下，空間電荷區(qū)兩側(cè)由對(duì)方區(qū)域注入的非平衡少數(shù)載流子的堆積n只存在于正向偏置情況n擴(kuò)散電容的大小與流過(guò)PN結(jié)的正向電流成正比 勢(shì)壘區(qū)注

9、入的電子注入的空穴電子濃度空穴濃度N區(qū)P區(qū)平衡電子平衡空穴IqkTCD/復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)212022-2-5PN結(jié)的勢(shì)壘電容n勢(shì)壘兩側(cè)空間電荷數(shù)目以及空間電荷區(qū)寬度的改變，類似平板電容 n偏置電壓越負(fù)，勢(shì)壘電容量越小 。非線性電容 ng 為結(jié)電容梯度因子。線性緩變結(jié)， g = 1/3；突變結(jié)， g = 1/2；超突變結(jié)， g = 16 0(1)BBDBCCVVg0(0.1)BBCCgVDVB：VDVB：CB0是偏置電壓為零時(shí)的勢(shì)壘電容 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)222022-2-5半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)與伏安特性 等效模型主要特性參數(shù) 其他類型的二極管 復(fù)旦大學(xué)

10、電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)232022-2-5二極管的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)n結(jié)構(gòu)n符號(hào)負(fù)極引線正極引線二氧化硅N 型硅片P 區(qū)AK(P)(N)正極負(fù)極復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)242022-2-5二極管的伏安特性擊穿電壓導(dǎo)通電壓硅二極管的導(dǎo)通電壓( VD(on) )大致為0.60.8V復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)252022-2-5理想二極管模型n只考慮二極管的單向?qū)щ娦裕雎运衅渌蛩豱適用于定性分析二極管電路的功能IDVD0復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)262022-2-5理想二極管模型的應(yīng)用vivoDRvivo= viDRiviR0i vivo= 0

11、DR半波整流電路vivoDR復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)272022-2-5半波整流電路的平均輸出電壓輸入電壓輸出電壓輸出電壓平均值Vmtt01sin() ()0.3182mOmmVVVt dtV復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)282022-2-5帶導(dǎo)通閾值的理想二極管模型 IDVD0VD(on)等效電路理想二極管伏安特性VD(on)考慮了二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，可以用于一般的定量估算。通常在估算時(shí)，硅二極管的正向?qū)妷喝?.7V復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)292022-2-5考慮二極管導(dǎo)通閾值的半波整流電路輸入電壓輸出電壓不考慮二極管閾值的輸出Vmtt考慮二

12、極管閾值的輸出復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)302022-2-5VDIDIDQVDQVDID二極管工作于交流小信號(hào)情況交流小信號(hào)條件：二極管上有兩個(gè)信號(hào)疊加，其中一個(gè)是直流電壓VDQ，它使得流過(guò)二極管的直流電流保持為IDQ，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)電流；另一個(gè)是交流電壓VD ，它以VDQ 為中心振動(dòng)，但是振幅很小 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)312022-2-5交流小信號(hào)線性近似模型 n近似條件： VD的振幅很小，忽略非線性因素nIDgDVD IDVD0VD(on)VD(on)伏安特性等效電路理想二極管rDIDQ()DTDDQVDQVDsDTVVIdgI edVVTDDQVrI復(fù)旦

13、大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)322022-2-5應(yīng)用小信號(hào)近似模型的注意點(diǎn)n只適合于線性近似，在必須考慮非線性效應(yīng)的場(chǎng)合（例如大信號(hào)）不適用n只適合于低頻，在高頻場(chǎng)合不適用（要考慮PN結(jié)電容等作用）n僅考慮二極管對(duì)于交流信號(hào)的影響時(shí)，理想二極管和閾值電壓不起作用（即可以等效成僅有一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻）復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)332022-2-5二極管的主要特性參數(shù) n直流電阻 RD n動(dòng)態(tài)內(nèi)阻 rD n極間電容 n額定電流 IM n反向擊穿電壓 VBR n最高工作頻率 fmax 直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)342022-2-5部分半導(dǎo)體二極管

14、實(shí)物圖片復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)352022-2-5二極管應(yīng)用電路之一n橋式整流電路ViVoRLD1D4D3D2ViVottVmVo021sin() ()0.637mOmmVVVt dtV復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)362022-2-5ViVoRLD1D4D3D2VotCIo充電放電VVom tn帶電容濾波的橋式整流電路2ooIIVtCf C()222oomimD onVVVVVV復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)372022-2-5二極管應(yīng)用電路之二n限幅電路 VtVoR+VTHViVTHD2D1ViVo+VTH+VD(on)VTHVD(on)復(fù)旦大學(xué)電子工

15、程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)382022-2-5二極管應(yīng)用電路之三n鉗位電路 ViVoCRDVotVot(a) 電路 (b) 無(wú)鉗位之輸出 (c) 帶鉗位之輸出復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)392022-2-5穩(wěn)壓二極管n工作原理：利用PN結(jié)反向擊穿后二極管兩端電壓基本保持不變的特點(diǎn)n工作狀態(tài)：總是工作在反向擊穿狀態(tài)RVoViDZ+RL反向擊穿狀態(tài)反向擊穿狀態(tài)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)402022-2-5工作在反向擊穿狀態(tài)下的穩(wěn)壓二極管的等效電路穩(wěn)定電壓 VZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)兩端的擊穿電壓動(dòng)態(tài)內(nèi)阻 rZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的交流電阻，等于VZ / IZ穩(wěn)定電流 IZ：穩(wěn)壓

16、管正常工作時(shí)的參考電流值rZVZIZ實(shí)際電路 等效電路復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)412022-2-5穩(wěn)壓管電路估算的例子(1)RVoViDZ+RL穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：VZ = 6V、IZ = 10mA、rZ = 5負(fù)載電阻 RL = 600，限流電阻 R = 330估算輸入電壓 Vi 從 12V 變化到 16V 時(shí)輸出電壓的變化估算流過(guò)穩(wěn)壓管的電流復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)422022-2-5/LZLoZiZLZLRRrRVVVrRRRrR6.040(V) 6.099(V)ooVV和rZVZRRLViVo等效電路將 Vi=12V 及 16V 代入上式，得到輸入電壓從1

17、2V變化到16V，相對(duì)變化量是33%，而輸出電壓變化 59mV，相對(duì)變化量為1%復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)432022-2-5Vi = 16V 時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流 ID19.8mA 7.99(mA)DI當(dāng) Vi=12V 時(shí)，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電壓法可得到流過(guò)穩(wěn)壓管的電流rZVZRRLViVo等效電路復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)442022-2-5穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)(1)n穩(wěn)壓系數(shù)S (電壓調(diào)整率)前面的例子，穩(wěn)壓系數(shù) S 1%33%0.03= Constant/LooiiRVVSVV復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)452022-2-5穩(wěn)壓管電路估算的例子(2)RVoV

18、iDZ+RL穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：VZ = 6V、IZ = 10mA、rZ = 5輸入電壓Vi=12V，限流電阻 R = 330試估算負(fù)載電阻 RL 從 600 變化到 1200 時(shí)的負(fù)載電流和輸出電壓的變化復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)462022-2-5將 RL = 600 和 1200 代入上式，Vo=6.040V 和6.065V所以 VO 25(mV)負(fù)載電流分別為 IRL1 = 6.040/600 10mA，IRL2 = 6.065/1200 5mA負(fù)載電流變化 5mA，電壓變化 25mVrZVZRRLViVo等效電路/LZLoZiZLZLRRrRVVVrRRRrR復(fù)旦大學(xué)電子

19、工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)472022-2-5穩(wěn)壓電路的性能指標(biāo)(2)n動(dòng)態(tài)內(nèi)阻 ro （電流調(diào)整率）前面的例子，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻 ro25mV5mA=5WioooVVrI常數(shù)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)482022-2-5發(fā)光二極管n單向?qū)щ姡鬟^(guò)正向電流時(shí)發(fā)光n閾值電壓1.5V3.6V不等n實(shí)際使用時(shí)根據(jù)需要選擇合適的工作電流Vi+RD常見(jiàn)的接法：串聯(lián)電阻限制電流iTHDVVIR復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)492022-2-5部分發(fā)光二極管實(shí)物圖片復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)502022-2-5雙極型晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理伏安特性 等效模型與性能參數(shù) 復(fù)旦大學(xué)電

20、子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)512022-2-5晶體管的結(jié)構(gòu) NPNNPN晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)PNPPNP晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)EECCBBEECCBB復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)522022-2-5隱埋層SiO2AlCEBN+N+N+P+NPP+P+基區(qū)硅襯底集電區(qū)發(fā)射區(qū)晶體管的剖面圖晶體管的結(jié)構(gòu) 復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)532022-2-5晶體管的電流傳輸過(guò)程 NNP+ECBIENIEPIBNICNICBOBBNEPCBOEENEPCCNCBOIIIIIIIIII發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)，所以 IEP IEN 由于晶體管的基區(qū)一般都非常薄，所以 IBN IEN

21、電流 ICBO 是基區(qū)少子和集電區(qū)少子形成的電流，所以很小正向偏置復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)542022-2-5晶體管正向偏置下的電流關(guān)系 n外部電流關(guān)系 n集電極電流與發(fā)射極電流的關(guān)系 恒小于1但十分接近于1，常見(jiàn)值為0.980.995 n集電極電流與基極電流的關(guān)系 ，通常為幾十到幾百 EBCIIICECBOEIIIICBCEOBIIII1復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)552022-2-5晶體管共發(fā)射極伏安特性 n輸入特性VBE(V)IB(mA)12340.515VCE =1VVCE =0VVCE =10V() |CEBBEVIf V常數(shù)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬

22、電子學(xué)基礎(chǔ)562022-2-5晶體管共發(fā)射極伏安特性n輸出特性VCE(V)IC (mA)12345IB = 50 A246IB = 20AIB = 0IB = 10AIB = 30AIB = 40A飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)() |BCCEIIf V常數(shù)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)572022-2-5晶體管輸出特性的3個(gè)區(qū)域n放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 ，晶體管具有放大作用n飽和區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏飽和壓降很低，晶體管飽和導(dǎo)通n截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏電流很小，晶體管近似開(kāi)路CBCEOBIIII復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)582022-2-5晶體管的放大作用n晶體管處

23、于放大區(qū)，集電極電流與基極電流的關(guān)系近似線性n共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) n實(shí)際低頻運(yùn)用中大致有 n存在基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng) CECBVII常數(shù)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)592022-2-5晶體管的開(kāi)關(guān)作用n在飽和區(qū)，晶體管3個(gè)電極接近于短路n在截止區(qū)，晶體管3個(gè)電極接近于開(kāi)路n適當(dāng)組成電路，可以輸出2個(gè)電平：0和1vivoVCCRBRC復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)602022-2-5晶體管等效模型n為什么要用等效模型？ 數(shù)學(xué)模型，目的是用數(shù)學(xué)方法分析電路n怎樣運(yùn)用等效模型？ 實(shí)際晶體管特性非線性，模型及其復(fù)雜 手工估算采用簡(jiǎn)化模型 簡(jiǎn)化模型突出基本物理概念，忽略次要的因素

24、，有利于對(duì)于電路功能的分析，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行的方向復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)612022-2-5晶體管直流與交流大信號(hào)模型n發(fā)射結(jié)正向偏置，等效成正向?qū)ǖ亩O管n集電極電流受控于發(fā)射極或基極電流，等效為受控電流源BVBEEC+IEICIBIE復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)622022-2-5根據(jù)大信號(hào)模型得到晶體管的轉(zhuǎn)移特性n晶體管發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)的特性近似一個(gè)正向?qū)ǖ亩O管其中 IES 是集電結(jié)短路時(shí)的發(fā)射極反向飽和電流 n定義IS = IES，則有exp()1BEEESTVIIVexp()1exp()BEBECSSTTVVIIIVV復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬

25、電子學(xué)基礎(chǔ)632022-2-5根據(jù)直流模型計(jì)算晶體管直流工作點(diǎn)RBRCVCC()CCBE onBBCBCECCCCVVIRIIVVIR晶體管直流工作點(diǎn)計(jì)算的例1 通常在計(jì)算晶體管直流工作點(diǎn)時(shí)采用帶閾值的理想二極管模型去等效晶體管的B-E結(jié)VBE(on)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)642022-2-5晶體管直流工作點(diǎn)計(jì)算的例2RB1RCVCCRB2RERBRCVCCREVBBVRE+()()BBBBBE onRERECBECBVI RVVVIIRII21212/BBBCCBBBBBRVVRRRRR等效當(dāng)IBRBVRE時(shí)，有重要近似()()REBBBE onBBBE onRECEEVV

26、VVVVIRR復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)652022-2-5晶體管直流工作點(diǎn)計(jì)算的例3VCCRBRC()()CECCCBCCEBE onBBCBVVIIRVVIRII復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)662022-2-5晶體管低頻交流小信號(hào)模型 n晶體管的輸入信號(hào)中既包含直流成分，又包含交流成分 n有效信號(hào)只是其中的交流部分n將電路分成兩個(gè)模型：直流模型（前面已經(jīng)討論）用來(lái)解決工作點(diǎn)問(wèn)題；交流模型用來(lái)解決信號(hào)放大問(wèn)題n交流模型中不包含直流信號(hào)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)672022-2-5晶體管共基極交流模型n輸入交流小信號(hào)時(shí)，發(fā)射結(jié)二極管可用交流小信號(hào)近似模型

27、取代n不考慮其中直流成分，二極管的交流小信號(hào)近似模型僅是一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻BEC+IEICVBEIEbec+ieicvbe ie)regmvbe直流與大信號(hào)模型交流小信號(hào)模型大信號(hào)模型交流小信號(hào)模型復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)682022-2-5bec+ieicvbe ie)regmvbe共基極交流模型參數(shù)的計(jì)算/EQCQembebeeeTTIIigvvirVVre是發(fā)射結(jié)的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻流過(guò)發(fā)射結(jié)的直流電流為IEQ可以將發(fā)射結(jié)看成一個(gè)二極管，所以.因?yàn)間mvbe= ie所以.beTeeEQvVriI復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)692022-2-5晶體管共發(fā)射極交流模型將共基極電路

28、的模型變形，可以得到共發(fā)射極電路的交流模型ecgmvbeic+rbebvbeib( ib)bec+ieicvbe ie)regmvbeib復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)702022-2-5共發(fā)射極交流模型參數(shù)的計(jì)算與共基極電路比較：由于在相同的 vbe 輸入時(shí)應(yīng)該有相同的輸出，所以(1)(1)bebeTbeebeCQvvVrriiIecgmvbeic+rbebvbeibCQmTIgV因?yàn)関be= ibrbe，所以復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)712022-2-5直流項(xiàng)直流項(xiàng) 線性項(xiàng)線性項(xiàng) 非線性項(xiàng)非線性項(xiàng)晶體管小信號(hào)線性化近似的條件 exp()BECSTVIIV在 Q 點(diǎn)作

29、級(jí)數(shù)展開(kāi)222221()() +.2()1.2CCCCQBEBEQBEBEQBEBEQQCQCQCQBEBETTdId IIIVVVVdVd VIIIVVVVVBEICQICQVBEQ 線性近似條件：VBE = vbe 0，流過(guò)漏極的電流隨VDS的增加而增加，但是由于柵極與漏極附近的電位差下降，導(dǎo)致導(dǎo)電溝道開(kāi)始傾斜，漏源之間的電阻開(kāi)始增加DGSN+襯底PN+VGSVDSVGS -VDS VTH加上VDS后溝道形狀的變化(2)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)892022-2-5VDS進(jìn)一步增加，當(dāng)柵極與漏極之間的電位差等于導(dǎo)通閾值時(shí)，漏極附近的導(dǎo)電溝道深度接近于0，漏源之間的電阻幾乎達(dá)到最大值DGSN+襯底PN+VGSVDSVGS -VDS =VTH加上VDS后溝道形狀的變化(3)復(fù)旦大學(xué)電子工程系 陳光夢(mèng)模擬電子學(xué)基礎(chǔ)902022-2-5DGSN+襯底PN+VGSVDSVGS