1、低頻電子電路低頻電子電路何豐何豐-人民郵電出版社21世紀高等院校信息與通信工程規(guī)劃教材普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材關(guān)注PN結(jié)的相互影響，以及制造要求對導電特性影響關(guān)注結(jié)構(gòu)對導電特性影響關(guān)注仿真模型對電路分析的重要價值低頻電子電路低頻電子電路低頻電子電路低頻電子電路 鑒于晶體管與場效應(yīng)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(yīng)管的導電特性。NPP+P+P+N發(fā)射極發(fā)射極E基極基極BPNN+集電極集電極C發(fā)射極發(fā)射極E基極基極BNPP+集電極集電極CBCEBCE發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié) 晶體管的特點晶體管的特點1 1）發(fā)射區(qū)高摻雜。）發(fā)射區(qū)高摻雜。2 2）基區(qū)很薄。）基區(qū)很薄。

2、3 3）集電結(jié)面積大。）集電結(jié)面積大。發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)正正偏。偏。飽和飽和情況情況：發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)反反偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏。偏。截止截止情況情況： 注意：注意：晶體管的導電特點是以內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證為前提晶體管的導電特點是以內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證為前提，外部電壓范圍差異為條件而變化的。，外部電壓范圍差異為條件而變化的。 由于結(jié)構(gòu)和摻雜的不同，由于結(jié)構(gòu)和摻雜的不同，反向工作情況反向工作情況的特性的特性不如放大等情況突出，因此該情況不如放大等情況突出，因此該情況幾乎不被利用幾乎不被利用。 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏。偏。放大或擊穿放大或擊穿情況情況：發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)反反偏，集電

3、結(jié)偏，集電結(jié)正正偏。偏。反向工作反向工作情況：情況： 晶體管的伏安特性外部測試電路晶體管的伏安特性外部測試電路 放大或擊穿情況（導電原理）放大或擊穿情況（導電原理） PNN+- - +- - +V1V2R2R1iEniEpiBBiCnICBOiEiE= iEn+iEpiCiC=iCn+ICBOiBiB= iEp+iBB - -ICBO = iEp+(iEn- -iCn) - -ICBO =iE - -iC發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏。偏。放大或擊穿放大或擊穿情況情況：q 發(fā)射結(jié)正偏：發(fā)射結(jié)正偏：保證發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子。保證發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子。發(fā)射區(qū)摻雜濃度發(fā)射區(qū)摻雜濃度基區(qū)：

4、減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射基區(qū)：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子，提高發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子發(fā)射效率。的多子，提高發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子發(fā)射效率。q 窄基區(qū)的作用：窄基區(qū)的作用：保證發(fā)射區(qū)的多子到達集電結(jié)。保證發(fā)射區(qū)的多子到達集電結(jié)。 基區(qū)很薄基區(qū)很薄：可：可減少基區(qū)的復合機會，保證發(fā)射區(qū)減少基區(qū)的復合機會，保證發(fā)射區(qū)來的絕大部分載流子能擴散到來的絕大部分載流子能擴散到集電結(jié)邊界集電結(jié)邊界。q 集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴散到集電保證擴散到集電結(jié)邊界的基區(qū)載流子大部能漂移到集電區(qū)，形成受結(jié)邊界的基區(qū)載流子大部能漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流?？氐募姌O電流。 晶體管特性典型實

5、測曲線晶體管特性典型實測曲線 晶體管的集電極電流晶體管的集電極電流 iC ，主要受正向發(fā)射結(jié)電，主要受正向發(fā)射結(jié)電壓壓vBE控制，而與反向集電結(jié)電壓控制，而與反向集電結(jié)電壓vCE近似無關(guān)。近似無關(guān)。 的物理含義：的物理含義：CBOBCnBBCnIiiii 近似表示，基極電流近似表示，基極電流iB 對集電極正向受控電流對集電極正向受控電流iCn的控制能力，即的控制能力，即 忽略忽略ICBO，得，得BCBCniiiiECBETICIB 稱稱 為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。CBOBCBOCnC)(1IiIiiBCEiii ICEO的物理含義：的物理含義： ICEO指基極開路時，集電

6、極指基極開路時，集電極直通到發(fā)射極的電流。直通到發(fā)射極的電流。 iB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 因此：因此：CBOCBOCBOCBOCnCEOC)1 (IIIIIIICEOBCIiiq 放大區(qū)放大區(qū)（ VBE 0.7V， VCE0.3V）特點特點條件條件發(fā)射發(fā)射結(jié)正偏結(jié)正偏集電集電結(jié)反偏結(jié)反偏VCE曲線略上翹曲線略上翹具有正向受控作用具有正向受控作用滿足滿足IC= IB + ICEO說明說明IC /mAVCE /V0VA上翹程度上翹程度取決于厄爾利電壓取決于厄爾利電壓VA上翹原因上翹原因基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（VCE IC略略 ）WBEB

7、C基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng) 表示，電流表示，電流 iE 對集電極正向受控電流對集電極正向受控電流iCn的控制的控制能力。能力。 為方便日后計算，由為方便日后計算，由 稱稱為共基極電流放大系數(shù)。為共基極電流放大系數(shù)。 由式：由式：BCEiiiCBOEC1Iii 得：得： 定義：定義：1CBOBC)(1Iii1 可推得：可推得：1q 擊穿區(qū)擊穿區(qū)特點：特點：vCE增大到一定值時，集電結(jié)反向擊穿，增大到一定值時，集電結(jié)反向擊穿，iC急劇增大。急劇增大。集電結(jié)反向擊穿電壓，隨集電結(jié)反向擊穿電壓，隨iB的增大而減小。的增大而減小。注意：注意：iB = 0時，擊穿電壓記為時，擊穿電壓記為V(BR)

8、CEOiE = 0時，擊穿電壓記為時，擊穿電壓記為V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEO 飽和情況（導電原理）飽和情況（導電原理） 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)正正偏。偏。飽和飽和情況情況：通常，飽和壓降通常，飽和壓降VCE(sat) 硅管硅管VCE(sat) 0.3V鍺管鍺管VCE(sat) 0.1V 若忽略飽和壓降（飽和區(qū)與放大區(qū)邊界），晶體若忽略飽和壓降（飽和區(qū)與放大區(qū)邊界），晶體管管CECE端近似短路。端近似短路。特點：特點：條件：條件： 發(fā)射發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)正偏，集電集電結(jié)正偏。結(jié)正偏。iC不但受不但受iB控制，也受控制，也受vCE影響。影響。vCE略增，略增，iC

9、顯著增加。顯著增加。 若忽略反向飽和電流，三極管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(guān)斷開。即晶體管工作于截止模式時，相當于開關(guān)斷開。 ECBETICIB共發(fā)射極共發(fā)射極直流簡化電路模型直流簡化電路模型ECBEIC 0IB 0 截止情況（導電原理）截止情況（導電原理） 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)反反偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏。偏。截止截止情況情況：IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 AiB = - -ICBO 近似為近似為 0 iB - -ICBO 的區(qū)域的區(qū)域 通常，在工程上將截止區(qū)對應(yīng)在通常，在工程上將截止區(qū)對應(yīng)在iB 0的曲線

10、的曲線的區(qū)域。的區(qū)域。 基于安全考慮的基于安全考慮的PCM限制限制 基于性能一致性考慮基于性能一致性考慮 ICM的限制的限制q 2.1.2 2.1.2 晶體晶體管安全工作區(qū)管安全工作區(qū)ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允許集電極電流最大允許集電極電流ICM（若（若ICICM 造成造成 ） 反向擊穿電壓反向擊穿電壓V(BR)CEO（若（若VCEV(BR)CEO 管子擊穿）管子擊穿）VCE PCM 燒管）燒管）PCpVGS越大，反型層中越大，反型層中n 越多，導電能力越強。越多，導電能力越強。PP+N+N+SGDUVDS- + - + PP+N+N+SGDUVDS =0- + - +

11、VGS VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設(shè)（假設(shè)VGS VGS(th) 且保持不變）且保持不變） VDS很小時很小時 VGD VGS 。此時此時W近似不變近似不變，即即Ron不變不變。由圖由圖 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID線性線性 。 若若VDS 則則VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大增大。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當當VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)時時 A點出現(xiàn)預夾斷點出現(xiàn)預夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù)

12、 A點左移點左移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為l 不變（即不變（即Ron不變）。不變）。因此預夾斷后：因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本維持不變?；揪S持不變。 特性曲線特性曲線曲線形狀類似晶體管輸出特性。曲線形狀類似晶體管輸出特性。 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)則則VDS 溝道長度溝道長度l 溝道電阻

13、溝道電阻Ron略略 。因此因此 VDS ID略略 。由上述分析可描繪出由上述分析可描繪出ID隨隨VDS 變化變化的關(guān)系曲線：的關(guān)系曲線：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲線形狀類似晶體管輸出特性。曲線形狀類似晶體管輸出特性。解析表達式：解析表達式：此時此時MOS管可看成阻值受管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：控制的線性電阻器：VDS很小很小MOS管工作在非飽區(qū)時，管工作在非飽區(qū)時，ID與與VDS之間呈線性關(guān)系：之間呈線性關(guān)系：)(222DSDSGS(th)GSOXnDVVVVlWCIGS(th)GSOXnon1VVWClR其中：其中：W、l 為溝道的寬度和長度。為溝道的寬度

14、和長度。COX （= / OX）為單位面積的柵極電容量。）為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)相當于晶體管的飽和區(qū)。注意：非飽和區(qū)相當于晶體管的飽和區(qū)。 DSGS(th)GSOXn)(VVVlWC解析表達式：解析表達式：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：的修正方程： 工作在工作在飽和區(qū)時，飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：從平方律關(guān)系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC可見，解析表達式與可見，解析表達式與N

15、DMOSFET管類似。管類似。 MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱稱單極型器件。單極型器件。 晶體晶體管中多子、少子同時參與導電，故稱管中多子、少子同時參與導電，故稱雙雙極型器件。極型器件。 利用半導體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓利用半導體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：工作原理：q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：相當于相當于MOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = V

16、GS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(qū)條件：條件： VGS VGS(th) ID=0=0以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG0，ID0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯PN結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 ID劇增。劇增。 VDS溝道溝道 l 對于對于l 較小的較小的MOS管管穿通擊穿。穿通擊穿。 NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS對對ID的控制作的控制作用用, ,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到?？捎奢敵鎏匦赞D(zhuǎn)換得到。 ID/

17、mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 轉(zhuǎn)移特性曲線中轉(zhuǎn)移特性曲線中, ,ID = =0 時對應(yīng)的時對應(yīng)的VGS值值, ,即開啟即開啟電壓電壓VGS（th） 。q 3. 3.P溝道溝道EMOS管管+ -+ - VGSVDS+ - + - SGUDNN+P+SGDUP+N溝道溝道EMOS管與管與P溝道溝道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0， P溝道溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q

18、飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS | |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道溝道JFETP溝道溝道JFETN+N+PGSDq N溝道溝道JFET管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結(jié)反偏結(jié)反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，JFET的的ID與與VGS之間也滿足平方律關(guān)系，但由之間也滿足平方律關(guān)系，但由于于JFET與與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。方程不同。q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：溝道全夾