模電第3章 半導(dǎo)體器件模型與電容、電感

教學(xué)內(nèi)容和要求掌握二極管模型掌握受控電源掌握晶體管、場效應(yīng)管模型掌握電容、電感第3章半導(dǎo)體器件模型與電容、電感3.1二極管模型1、二極管iDuD+_2、二極管的伏安特性uD/ViD/mAU(BR)Uon正向電流iD達(dá)到mA級所對應(yīng)的電壓稱為導(dǎo)通電壓Uon，一般Uon=0.6～0.8V(硅)，0.1～0.3V(鍺)3、二極管模型分析二極管應(yīng)用電路涉及二極管伏安特性——非線性方程，工程上不采取直接計算的方法①圖解電路非線性部分——二極管特性曲線電路線性部分——負(fù)載線uD/ViD/mA例1，圖解法估算圖示電路的uD和iD0.727.6二極管特性曲線iDuD+_300Ω3V+_②等效電路(模型)等效電路——用線性元件構(gòu)成的電路來近似非線性器件特性二極管的大信號等效電路iDuD+-Ru+-＊理想開關(guān)模型uuuD/ViD/mAiDuD+-iDuD=0+-iD=0uD+-u>0u<0＊電壓源開關(guān)模型uuuD/ViD/mAUoniDuD+-iD=0uD+-u>Uonu<UoniDuD=Uon+-例2，等效電路法估算圖示電路的uD和iDiDuD+-300Ω3V二極管用電壓源開關(guān)模型uD=Uon=0.7(V)iD0.7V+-300Ω3V二極管的小信號等效電路——動態(tài)電阻模型如果二極管應(yīng)用電路中u=U+△u——偏置加輸入小信號(變化量)iDuD+_RU+_Δu二極管應(yīng)用電路的動態(tài)分析——靜態(tài)工作點Q附近的二極管電壓uD=UDQ+△uD△u足夠小條件下，靜態(tài)工作點Q附近二極管特性線性化，由疊加原理，動態(tài)分析=靜態(tài)分析UDQ+小信號分析△uD二極管應(yīng)用電路的靜態(tài)分析——靜態(tài)工作點Q——偏置U單獨作用時二極管電壓UDQ二極管應(yīng)用電路的小信號分析——靜態(tài)工作點Q附近——小信號△u單獨作用時二極管電壓△uDQ△uD△iDuD/ViD/mAUU+△u△iD△uD+-靜態(tài)工作點Q附近△iD△uD+-rd例3，圖示電路中△u=100sin(2π×104t)mV，求iDiDuD+_300Ω3V+_△u靜態(tài)分析——3V單獨作用的電路——二極管用電壓源開關(guān)模型IDQUDQ=0.7V300Ω3V小信號分析——△u單獨作用的電路——二極管用動態(tài)電阻模型△iDrd+_△u300Ω動態(tài)分析——疊加4、穩(wěn)壓管一種專門工作在反向擊穿狀態(tài)的二極管iZuZ+_①穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管的伏安特性——反向擊穿特性uZiZUZ-Uon②穩(wěn)壓管模型穩(wěn)壓管的大信號等效電路iZuZ+-Ru+-＊電壓源開關(guān)模型iZ=0uZ+-u>UZu<UZiZuZ=UZ+-iZuZ+-穩(wěn)壓管的小信號等效電路——動態(tài)電阻模型靜態(tài)工作點Q附近△iZ△uZ+-rz△iZ△uZ+-習(xí)題：(p69)1.2、1.43.2受控電源受控電源是由兩條支路組成的元件：控制支路——開路或短路，受控支路——特別的電壓源或電流源，其電壓或電流與控制支路的電壓或電流存在約束1、電壓控制電壓源電壓控制電壓源——控制支路開路，受控支路在任一時刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于i2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電壓u1(t)存在約束u2(t)0i2(t)i1(t)0u1(t)u2(t)0u1(t)12、電流控制電壓源電流控制電壓源——控制支路短路，受控支路在任一時刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于i2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電流i1(t)存在約束u2(t)0i2(t)u1(t)0i1(t)u2(t)0i1(t)13、電壓控制電流源電壓控制電流源——控制支路開路，受控支路在任一時刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于u2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電壓u1(t)存在約束i2(t)0u2(t)i1(t)0u1(t)i2(t)0u1(t)14、電流控制電流源電流控制電流源——控制支路短路，受控支路在任一時刻電壓電流關(guān)系由u2(t)-i2(t)平面平行于u2(t)軸的直線族確定，該族直線與控制支路電流i1(t)存在約束i2(t)0u2(t)u1(t)0i1(t)i2(t)0i1(t)1受控電源關(guān)聯(lián)兩條支路——控制支路與受控支路受控電壓源受控支路的電壓與流過本支路的電流無關(guān)，但與控制支路的電壓或電流存在約束；受控電流源受控支路的電流與本支路兩端的電壓無關(guān)，但與控制支路的電壓或電流存在約束受控電源的參考方向——應(yīng)將控制支路與受控支路的參考方向一起標(biāo)出，沒有控制支路的參考方向，受控電源的參考方向沒有意義關(guān)于受控電源在電路中一般習(xí)慣將控制支路與相鄰支路合并而不單獨畫出例1，求圖示電路的I+_6V3Ω3Ω3A3I1II16V電壓源單獨作用所產(chǎn)生的電流分量I′+_6V3Ω3Ω3I1′I′I1′3A電流源單獨作用所產(chǎn)生的電流分量I〞3Ω3Ω3A3I1〞I〞I1〞疊加例2，求圖示電路的I2U5Ω10Ω_+UI9A2U5Ω10Ω_+UI9A2Uoc10Ω9AUoc

_+I=0求端口開路電壓Uoc時I=05Ω電阻以外的含源電阻單口網(wǎng)絡(luò)10Ω9AU=0_+IscU求端口短路電流Isc時U=0→2U=0-9A-0.5Ω5ΩI電阻分流電路作業(yè)(P157-159)：4-5、4-153.3晶體管模型1、晶體管晶體管分為NPN型與PNP型ebcebcNPN型晶體管PNP型晶體管2、NPN型晶體管的共射伏安特性①共射輸入伏安特性uBE為自變量，iB為因變量，uCE為參變量的曲線族iBuBEuCE=0.5VuCE=1VuCE=0V關(guān)于共射輸入伏安特性類似于二極管的伏安特性uCE

增大時，輸入伏安特性略為右移；uCE

對iB的影響較小，曲線族非常密集，可以近似為一條曲線②共射輸出伏安特性uCE為自變量，iC為因變量，iB為參變量的曲線族uCEiCiB=

20AiB=

0iB=

40AiB=

60AiB=

80A放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)關(guān)于共射輸出伏安特性放大區(qū)——uCE

>uBE

>Uon，輸出伏安特性近似為等間隔平行線，iC與iB表現(xiàn)出比例關(guān)系；每條曲線隨uCE的增大而略有抬升飽和區(qū)——uCE<uBE但uBE>Uon，iC與iB不再滿足比例關(guān)系；uCE受電流影響較小接近常數(shù)截止區(qū)——只要uBE<Uon，iB、iC和iE均為零晶體管的共射放大偏置——發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置放大偏置時，NPN型晶體管的電壓關(guān)系——UCE>UBE>Uon3、晶體管模型晶體管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號共存++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL輸入回路非線性部分——晶體管輸入特性輸入回路線性部分——輸入負(fù)載線++__ΔuIuORcRbUCCUBBRL輸出回路非線性部分——晶體管輸出特性輸出回路線性部分——輸出負(fù)載線晶體管的直流等效電路IBUBEUCEICIB=

40AIB=

20AIB=

60AIC

0IB

1UonIBUCE+_UBE+_IC++__UBEUCEIBICUCE>UBE>Uon晶體管的小信號等效電路uCEiCiB=

40AiB=

20AiBuBEiB=

60AQΔuBEΔiBQΔuCEΔiCiC

0iB

1QΔiBΔiC放大區(qū)靜態(tài)工作點Q附近++__ΔuBEΔuCEΔiBΔiCΔuBE++__ΔuCEΔiCrcerbeΔiBUA為厄利電壓，一般UA=50~100V例1，圖示晶體管共射放大電路中，β=100，UA→∞。求(1)靜態(tài)工作點；(2)ΔuI=10sintmV時的uO+_uO5.1k24k12VΔuI+_1V靜態(tài)分析——12V與1V作用的電路——晶體管用直流等效電路24k0.7VIB1V5.1k12V小信號分析——ΔuI作用的電路——晶體管用小信號等效電路+_ΔuO5.1k2.1k24kΔiB+_ΔuI+_ΔuO5.1k2.1k24kΔiB+_ΔuI動態(tài)分析——疊加3.4場效應(yīng)管模型1、場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管N溝道P溝道場效應(yīng)管分為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管sgdsgd增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS場效應(yīng)管)N溝道增強型MOS場效應(yīng)管P溝道增強型MOS場效應(yīng)管sgdsgdN溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管P溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管sgdsgd2、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的共源伏安特性①共源輸入伏安特性uGS為自變量，iG為因變量，uDS為參變量的曲線族uGS0iG②共源輸出伏安特性可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)uDS=uGS–UGS(th)iDuDS0uGS=UGS(th)uGS=2UGS(th)IDOuDS為自變量，iD為因變量，uGS為參變量的曲線族關(guān)于共源輸出伏安特性放大區(qū)——uGS>UGS(th)且uDS

>uGS

-UGS(th)，輸出伏安特性近似為等間隔平行線，iD與uGS表現(xiàn)出接近比例關(guān)系；每條曲線隨uDS的增大而略有抬升可變電阻區(qū)——uGS>UGS(th)但uDS<uGS

-UGS(th)，iD與uGS表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系截止區(qū)——只要uGS<UGS(th)，iD和iS均為零放大偏置時，N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的電壓關(guān)系——UGS>UGS(th)，UDS>UGS–UGS(th)增強型MOS場效應(yīng)管的共源放大偏置——形成導(dǎo)電溝道，導(dǎo)電溝道夾斷3、場效應(yīng)管模型場效應(yīng)管應(yīng)用電路中，偏置和輸入小信號共存++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL輸入回路非線性部分——場效應(yīng)管輸入特性輸入回路線性部分——輸入負(fù)載線++__ΔuIuORdRgUDDUGGRL輸出回路非線性部分——場效應(yīng)管輸出特性輸出回路線性部分——輸出負(fù)載線場效應(yīng)管的直流等效電路UGS0IGIDUDS0UGS=3VUGS=2VUGS=4VUDS=UGS–UGS(th)UGS0IDUGS(th)UDS+_IDUGS+_++__UGSUDSIDuGS>UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)場效應(yīng)管的小信號等效電路QΔuGSΔiGQΔuDSΔiDuGS0iGiDuDS0uGS0iDUGS(th)QΔuGSΔiD++__ΔuGSΔuDSΔiD放大區(qū)靜態(tài)工作點Q附近ΔuGS++__ΔuDSΔiDrds3.5電容與電感電容——二端元件在任一時刻電壓u(t)與電荷q(t)的關(guān)系由u(t)-q(t)平面一條曲線確定1、電容的定義q(t)0u(t)t=t1通常曲線在關(guān)聯(lián)參考方向下曲線決定了電容電壓u(t)與電荷q(t)之間的約束關(guān)系電容分類非線性時變電容非線性時不變電容線性時變電容線性時不變電容2、線性時不變電容線性時不變電容——任一時刻特性曲線是u(t)-q(t)平面斜率不變過原點的直線q(t)C0u(t)13、電容的VCR或者關(guān)于電容的VCRi(t)與u(t)波形不同如果u(t)為恒定值(直流)→i(t)=0，電容相當(dāng)于開路電容電壓的連續(xù)性——某一時刻t0，如果i(t0)有限，u(t0)不能躍變————電容VCR與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)——只對支路的電壓電流給出約束——元件約束例1，圖示電路中，已知u(0)=2V，求u(t)，t≥0并畫出u(t)的波形2μFu(t)i(t)+－i(t)/μAt/s201t=2時，i(2)有限u(2+)=u(2-)=3(V)i(t)/μAt/s201u(t)/Vt/s2032設(shè)t=t0時u(t0)=0，電容在任意時刻t的儲能4、電容的功率和儲能關(guān)于電容的儲能電容在任意時刻t的儲能取決于該時刻的電容電壓，與電壓波形及電壓的建立過程無關(guān)，也與電流無關(guān)電容在任意時刻t的儲能非負(fù)，但可增加可減少——電容發(fā)出的只是以前吸收的儲能，p(t)