[其它]模拟课件第一章下.ppt

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1、1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响,一、温度对ICBO的影响,温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。,硅管的ICBO比锗管的小得多。,二、温度对输入特性的影响,温度升高时正向特性左移，反之右移,三、温度对输出特性的影响,温度升高将导致 IC 增大,温度对输出特性的影响,三极管工作状态的判断,例1：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？（1）VC 6V VB 0.7V VE 0V（2）VC 6V VB 4V VE 3.6V（3）VC 3.6V VB 4V VE 3.4V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VC VB VE 对

2、PNP管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区（2）截止区（3）饱和区,例2某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。,管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。,例3：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V

3、（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅（2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗（3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅（4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。NPN管UBE0，UBC0，即UC UB UE。PNP管UBE0，UBC0，即UC UB UE。,解：,1.3.6光电三极管,一、等效电路、符号,二、光电三极管的输出特性曲线,复习,1.BJT

4、放大电路三个 电流关系？,2.BJT的输入、输出特性曲线？,3.BJT工作状态如何判断？,1.4场效应三极管,场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管分类：,符号,1.4.1结型场效应管Junction Field Effect Transistor,结构,图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,

5、源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。,一、结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1.当UDS=0 时，uGS

6、 对导电沟道的控制作用,UGS=0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示,2.当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时,uDS 对漏极电流iD的影响。,uGS=0，uGD UGS（Off)，iD 较大。,uGS UGS（Off)，iD 更小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),uGD uGS uDS,uGS 0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断,uGS 0,uGD uGS(off),夹

7、断，iD几乎不变,(1)改变 uGS，改变了 PN 结中电场，控制了 iD，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),3.当uGD uGS(off),时，,uGS 对漏极电流iD的控制作用,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。,场效应管为电压控制元件(VCCS)。,在uGD uGS uDS uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。,gm=iD/uGS,(单位mS),小结,(1)在uGD uGS uDS uGS(off)情况下,即当uDS u

8、GS-uGS(off)对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当uDS使uGD uGS(off)时，d-s之间预夹断,(3)当uDS使uGD uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS 无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,二、结型场效应管的特性曲线,1.转移特性(N 沟道结型场效应管为例),图 1.4.6转移特性,uGS=0，iD 最大；uGS 愈负，iD 愈小；uGS=UGS(off)，iD 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的 ID),夹断电压 UGS(off)(ID=0 时的 UGS),转移特性,2.输出特性曲线,当

9、栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 iD 与漏源之间电压 uDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。,图 1.4.5(b)漏极特性,输出特性（漏极特性）曲线,夹断区,击穿区,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。,1.4.2绝缘栅型场效应管 MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点

10、：输入电阻可达 1010 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 1.4.7N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,1.工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,2.工作原理分析,(1)UGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总

11、是不导电。,(2)UDS=0，0 UGS UGS(th),栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,(3)UDS=0，UGS UGS(th),由于吸引了足够多P型衬底的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层,反型层、N 型导电沟道。UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。,UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,(4)UDS 对导电沟道的影响(UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。,b.UDS=UGS UT，UGD=UT

12、,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.UDS UGS UT，UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。,a.UDS UT,图 1.4.9UDS 对导电沟道的影响,(a)UGD UT,(b)UGD=UT,(c)UGD UT,在UDS UGS UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,3.特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UT，iD=0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UT 时),三个区：可变电阻

13、区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,图 1.4.10(a),图 1.4.10(b),二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；,UGS=UP,感应电荷被“耗尽”，iD 0。,UP或UGS(off)称为夹断电压,图 1.4.11,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的

14、符号,N 沟道耗尽型MOSFET,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当UGS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。,各类场效应管的符号和特性曲线,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2.夹断电压 UP 或UGS(off),3.开启电压 UT 或UGS(th),4.直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数

15、。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109。,二、交流参数,1.低频跨导 gm,2.极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,3.漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 U(BR)DS,4.栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。

16、漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,1.最大漏极电流IDM,例1.4.2,电路如图1.4.14所示，其中管子T的输出特性曲线如图1.4.15所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,图1.4.14,图1.4.15,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)4V,解,(1)ui为0V，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0 VDD 15V,(2)uGSui8V时，从输

17、出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V,(3)uGSui10V时，,若工作在恒流区，iD 2.2mA。因而u0 15-2.2*5 4V,但是，uGS 10V时的预夹断电压为,uDS=uGS UT=(10-4)V=6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,例1.4.3 自阅,晶体管,场效应管,结构,NPN型、PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,绝缘栅增强型 N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可

18、倒置使用,载流子 多子扩散少子漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(),电压控制电流源VCCS(gm),1.4.4 场效应管与晶体管的比较,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,晶体管,场效应管,一、单结晶体管的结构和等效电路,N 型硅片,P 区,PN 结,e,b1,b2,单结晶体管又称为双基极晶体管。,(a)结构,(b)符号,(C)等效电路,图 1.5.1单结管的结构及符号,1.5单结晶体管和晶闸管

19、,1.5.1单结晶体管,特性：,分压比,A,P,V,B,IP,UP,截止区,负阻区,饱和区,峰点,UP：峰点电压,IP：峰点电流,谷点,UV：谷点电压,IV：谷点电流,图 10.9.11(a),图 10.9.11(b),二、单结管的脉冲发生电路,图 10.9.12单结管的脉冲发生电路,三、单结管的触发电路,图 10.9.14,图 10.9.15,三、应用举例：单结管的脉冲发生电路,图 1.5.3单结管的脉冲发生电路,1.5.2晶闸管,一、结构和等效模型,图 1.5.5晶闸管的结构和符号,C,C,C,阳极,阴极,控制极,二、工作原理,图 1.5.6,1.控制极不加电压，无论在阳极与阴极之间加正向

20、或反向电压，晶闸管都不导通。,称为阻断,2.控制极与阴极间加正向电压，阳极与阴极之间加正向电压，晶闸管导通。,IG,1 2IG,1IG,图 1.5.5,C,C,结论：,晶闸管由阻断变为导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压时，再在控制极加一个正的触发脉冲；晶闸管由导通变为阻断的条件是减小阳极电流 IA，或改变A-C电压极性的方法实现。晶闸管导通后，管压降很小，约为 0.61.2 V 左右。,三、晶闸管的伏安特性,1.伏安特性,UBO,A,B,C,IH,IG=0,正向阻断特性：当 IG=0，而阳极电压不超过一定值时，管子处于阻断状态。,UBO 正向转折电压,正向导通特性：管子导通后，伏安特性与二

21、极管的正向特性相似。,IH 维持电流,当控制极电流 IG 0 时，使晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压减小。,IG 增大,反向特性：与二极管的反向特性相似。,UBR,图 1.5.7晶闸管的伏安特性曲线,四、晶闸管的 主要参数,1.额定正向平均电流 IF,2.维持电流 IH,3.触发电压 UG和触发电流 IG,4.正向重复峰值电压 UDRM,5.反向重复峰值电压 URRM,其它：正向平均电压、控制极反向电压等。,例：单相桥式可控整流电路,在 u2 正半周，当控制极加触发脉冲，VT1 和 VD2 导通；,在 u2 负半周，当控制极加触发脉冲，VT2和 VD1 导通；,：控制角；：导电角,图 1.5

22、.8,小 结,第 1 章,一、两种半导体和两种载流子,两种载流子的运动,电子,空穴,两 种半导体,N 型(多电子),P 型(多空穴),二、二极管,1.特性,单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,2.主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR(IS)(受温度影响),IS,3.二极管的等效模型,理想模型(大信号状态采用),正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压 UD(on)时导通 等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(

23、on)=(0.6 0.8)V,估算时取 0.7 V,硅管：,锗管：,(0.1 0.3)V,0.2 V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源 UD(on),4.二极管的分析方法,图解法,微变等效电路法,5.特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光电二极管,反 偏,光电转换,三、两种半导体放大器件,双极型半导体三极管(晶体三极管 BJT),单极型半导体三极管(场效应管 FET),两种载流子导电,多数载流子导电,晶体三极管,1.形式与结构,NPN,PNP,三区、三极、两结,2.特点,基极电流控制集电极电流并实现放大,放大条件,内因：发射区载流子浓度高、

24、基区薄、集电区面积大,外因：发射结正偏、集电结反偏,3.电流关系,IE=IC+IB,IC=IB+ICEO,IE=(1+)IB+ICEO,IE=IC+IB,IC=IB,IE=(1+)IB,4.特性,死区电压(Uth)：,0.5 V(硅管),0.1 V(锗管),工作电压(UBE(on)：,0.6 0.8 V 取 0.7 V(硅管),0.2 0.3 V 取 0.3 V(锗管),饱和区,截止区,放大区,饱和区,截止区,放大区特点：,1)iB 决定 iC,2)曲线水平表示恒流,3)曲线间隔表示受控,5.参数,特性参数,电流放大倍数,=/(1),=/(1+),极间反向电流,ICBO,ICEO,极限参数,I

25、CM,PCM,U(BR)CEO,ICM,U(BR)CEO,PCM,安 全 工 作 区,=(1+)ICBO,场效应管,1.分类,按导电沟道分,N 沟道,P 沟道,按结构分,绝缘栅型(MOS),结型,按特性分,增强型,耗尽型,uGS=0 时，iD=0,uGS=0 时，iD 0,增强型,耗尽型,(耗尽型),2.特点,栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流,输入电阻高，工艺简单，易集成,由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述,3.特性,不同类型 FET 的特性比较参见 图1.4.13 第 43-44页。,不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,(耗尽型

26、),IDSS,开启电压UGS(th),夹断电压UGS(off),IDO 是 uGS=2UGS(th)时的 iD 值,四、晶体管电路的基本问题和分析方法,三种工作状态,放大,I C=IB,发射结正偏集电结反偏,饱和,I C IB,两个结正偏,ICS=IBS 集电结零偏,临界,截止,IB 0,IC=0,两个结反偏,判断导通还是截止：,UBE U(th)则导通,以 NPN为 例：,UBE U(th)则截止,判断饱和还是放大：,1.电位判别法,NPN 管,UC UB UE,放大,UE UC UB,饱和,PNP 管,UC UB UE,放大,UE UC U B,饱和,2.电流判别法,IB IBS 则饱和,IB IBS 则放大,