低频电子电路02章20120305.ppt

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 PN结的相互影响 以及制造要求是构成导电区域特性的关键 结构是导电区域特性形成的关键 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 在电压EC远大于EB时 可以保证集电结反偏 否则集电结正偏 1 放大或击穿情况下的导电原理 iE 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 保证发射区在价电子层面和自由电子层面的电子 NPN 向基区聚集 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 保证聚集于基区的电子到达集电结边界 基区很薄 可减少基极补充电子的机会 即保证发射区来的绝大部分电子能扩散到集电结边界 集电结反偏 且集电结面积大 保证发射结扩散到集电结边界的电子大部能在集电结反偏电压的漂移作用下 形成受控的集电极电流 第二章半导体受控器件基础 放大或击穿情况下的典型实测曲线 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 VCE 0 3V 特点 条件 说明 第二章半导体受控器件基础 表示 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 饱和情况的实测曲线分析 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 CE相当于一条导线 电压很小 电流很大 饱和情况的特点 若忽略饱和压降 饱和区与放大区边界 晶体管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 截止情况的特点 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 第二章半导体受控器件基础 基于安全考虑的PCM限制 最大允许集电极耗散功率 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 PC ICVCE 若PC PCM 烧管 2 1 2晶体管安全工作区 反向击穿电压V BR CEO 若VCE V BR CEO 管子击穿 VCE V BR CEO PC PCM IC ICM 第二章半导体受控器件基础 基于性能一致性考虑ICM的限制 若IC ICM 造成 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1 C 增大 0 5 1 即 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 提高VBB的值 可以让整个波形全部通过 叫做甲类放大器 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 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 只有一种载流子参与导电 BJT是两种都参与 2 2 1绝缘栅型 MOS 场效应管 N沟道 channel 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 G gateD drain DS两极通常相接 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vDS iD关系曲线分析 N沟道DMOS管工作原理 第二章半导体受控器件基础 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较小的非饱和区时 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 第二章半导体受控器件基础 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 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 IG 0 ID 0 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 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 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 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VDS ID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 off 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 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 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 IG 0 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 JFET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FE