模擬電路：第一章 集成電路元、器件基礎(chǔ)3

隨堂小測(cè)試（5min）PN結(jié)的形成？二極管的正向伏安特性V-I，圖？表達(dá)式？二極管的交流小信號(hào)模型（微變等效電路）？寫在紙片上，課間由學(xué)委收集交上。寫上學(xué)號(hào)。1/29/20231北京航空航天大學(xué)202教研室PN結(jié)的形成：擴(kuò)散-（P型區(qū)到N型區(qū)的過(guò)渡帶，濃度差）復(fù)合（空間電荷區(qū)）內(nèi)建電場(chǎng)（接觸電位差）漂移-（內(nèi)建電場(chǎng)作用）動(dòng)態(tài)平衡（擴(kuò)散-漂移）1/29/20232北京航空航天大學(xué)202教研室2.二極管的正向伏安特性V-I？圖？表達(dá)式？1/29/20233北京航空航天大學(xué)202教研室采用恒壓降模型：3.二極管的交流小信號(hào)模型（微變等效電路）？1/29/20234北京航空航天大學(xué)202教研室BECIBIEICPNDGSBJT場(chǎng)效應(yīng)管FET1/29/20235北京航空航天大學(xué)202教研室1.3雙極型晶體管（BJT:bipolarjunctiontransistor）概念：由三個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)（發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)）

及兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）構(gòu)成的，有兩

種載流子（自由電子和空穴）在其內(nèi)部作擴(kuò)散、

復(fù)合、漂移等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的PNP或NPN晶體管。BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管1/29/20236北京航空航天大學(xué)202教研室雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)：BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型1/29/20237北京航空航天大學(xué)202教研室BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高三個(gè)雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)：1/29/20238北京航空航天大學(xué)202教研室BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)兩個(gè)PN結(jié)：1/29/20239北京航空航天大學(xué)202教研室BJT的實(shí)物圖片：小功率型中功率型大功率型1/29/202310北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.1BJT工作原理1.3.1.1BJT內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程1.多子通過(guò)EB結(jié)注入2.載流子在基區(qū)內(nèi)擴(kuò)散與復(fù)合3.集電極對(duì)載流子收集BJT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：基區(qū)厚度很??；發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；集電區(qū)面積很大。組態(tài)形式（共基、共射、共集）；放大的偏置條件EB正偏，CB反偏。1/29/202311北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.1.2共基連接電流分配關(guān)系iE=iC+iB

iC=αiE+ICBO

iB=iB1+iB2-ICBO

iB1+iB2=(1-α)iE是共基BJT輸出端交流短路條件下交流電流增益。是共基BJT的直流電流增益。對(duì)小功率BJT，在相當(dāng)大的電流范圍內(nèi)，BJT的電流分配關(guān)系P19.式1.3.6

為電流增益系數(shù)，它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。一般

=0.90.99符號(hào)說(shuō)明1/29/202312北京航空航天大學(xué)202教研室BJT電流傳輸演示1/29/202313北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.1.3共射（共E）BJT工作原理以發(fā)射極（E極）作為公共端，EB結(jié)正偏，CB結(jié)反偏。令：則：β是共射BJT輸出交流短路下的交流電流增益

是另一個(gè)電流放大系數(shù)，同樣，它也只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。一般

>>11/29/202314北京航空航天大學(xué)202教研室BJT電流放大原理：BECNNPEBRBECiEiB1進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流iB1，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流iE?；鶇^(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散電流iB2。1/29/202315北京航空航天大學(xué)202教研室BECNNPEBRBECiE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOiC=iCn1+ICBOiCn1iB1iCn1從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成iCn1。BJT電流放大原理：1/29/202316北京航空航天大學(xué)202教研室iB=iB1-ICBOiB1iBBECNNPEBRBECiEICBOiCn1iC=iCn1+ICBO

iCn1iB1BJT電流放大原理：1/29/202317北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.2共射BJT的伏安特性曲線1.3.2.1共射BJT的輸出特性曲線1/29/202318北京航空航天大學(xué)202教研室ICmAAVVVCEVBERBIBECEB測(cè)試共射BJT特性曲線的電路：1/29/202319北京航空航天大學(xué)202教研室輸出特性曲線1/29/202320北京航空航天大學(xué)202教研室IC(mA)1234UCE(V)36912IE=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IE=0,IB=-ICBO，稱為截止區(qū)。1.截止區(qū)iE=0

iB=-ICBO集電結(jié)反偏

發(fā)射結(jié)反偏1/29/202321北京航空航天大學(xué)202教研室2.擊穿區(qū)vCE>V(BR)后，iC開始劇增的區(qū)域，

iB=0對(duì)應(yīng)的V(BR)為V(BR)CEO；iE=0對(duì)應(yīng)的V(BR)為V(BR)CBO；

V(BR)CBO>V(BR)CEO。

輸出特性上的擊穿都是集電結(jié)雪崩擊穿。1/29/202322北京航空航天大學(xué)202教研室3.飽和區(qū)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中VCEVBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，稱為飽和區(qū)。VCE<VBE

VCB<0集電結(jié)正偏

發(fā)射結(jié)正偏VCE(sat)

稱為飽和壓降

硅管：0.4V~0.8V

鍺管：0.1V~0.3V1/29/202323北京航空航天大學(xué)202教研室IC(mA)1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC≈IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。4.放大區(qū)當(dāng)VCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC主要與IB有關(guān)，IC≈IB。iB>0vCE≥vBE發(fā)射結(jié)合適正偏

集電結(jié)反偏1/29/202324北京航空航天大學(xué)202教研室共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1/29/202325北京航空航天大學(xué)202教研室共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=IC/IBvCE=const1/29/202326北京航空航天大學(xué)202教研室共基極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

共基極交流電流放大系數(shù)α

α=IC/IE

VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈、≈，可以不加區(qū)分。1/29/202327北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.2.2共射BJT的輸入特性曲線1/29/202328北京航空航天大學(xué)202教研室輸入特性:VCE1VIB(A)VBE(V)204060800.40.8VCE=0VVCE=0.5V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。工作壓降：

硅管VBE0.6～0.7V,

鍺管VBE0.2～0.3V。1/29/202329北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.3共射BJT工作在正向作用區(qū)的大信號(hào)特性方程Ebers－Moll模型:(綜合4個(gè)工作區(qū)后的普遍模型)式中：aF

表示共基極正向電流傳輸系數(shù)；

aR

表示共基極反向電流傳輸系數(shù)；

1/29/202330北京航空航天大學(xué)202教研室基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（厄爾利效應(yīng)）：

vCE變化引起集電結(jié)反偏電壓變化，導(dǎo)致集電結(jié)寬度變化，

引起基區(qū)有效寬度變化，導(dǎo)致基區(qū)的復(fù)合電流變化，引起集

電極電流變化。1/29/202331北京航空航天大學(xué)202教研室考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)后的集電極電流方程：式中：VA

表示厄爾利電壓，典型值為：100V增加值反向延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)1/29/202332北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.4BJT的主要特性參數(shù)1.3.4.1電流增益β或α1.3.4.2極間反向電流式中：ICEO

表示基極開路，集電極－發(fā)射極反向飽和電流；

ICBO

表示發(fā)射極開路，集電極－基極反向飽和電流。1/29/202333北京航空航天大學(xué)202教研室集-基極反向截止電流ICBO：AICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。發(fā)射極開路集電結(jié)反偏1/29/202334北京航空航天大學(xué)202教研室BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO進(jìn)入N區(qū)，形成IBE=ICBO。集電結(jié)反偏有ICBO集-射極反向截止電流ICEO：ICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時(shí)，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。ICEO=

ICBO+ICBO

ICEO=(1＋)ICBO

可通過(guò)ICBO和ICEO確定放大倍數(shù)。1/29/202335北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.4.3極限參數(shù)1.集電極最大允許電流

ICMβ值下降到額定值的2/3時(shí)所允許的最大集電極電流值。2.集電極最大允許功耗

PCM集電結(jié)允許的最大損耗功率。3.反向擊穿電壓V(BR)V(BR)CBO:發(fā)射極開路，集電極－基極反向擊穿電壓；

V(BR)CEO:基極開路，集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓。V(BR)CBO>V(BR)CEO。1.3.4.4頻率參數(shù)fTBJT的特征頻率，β值下降至1時(shí)的工作頻率。1/29/202336北京航空航天大學(xué)202教研室集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC

流過(guò)三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICVCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PCPCMICVCEICVCE=PCMICMV(BR)CEO安全工作區(qū)1/29/202337北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.5共射BJT的小信號(hào)等效模型及等效參數(shù)可以把工作在小信號(hào)條件下的BJT等效為線性四端網(wǎng)絡(luò)1/29/202338北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.5.1什么是小信號(hào)（重要！）根據(jù)級(jí)數(shù)展開理論，當(dāng)輸入信號(hào)Vsm<10mV時(shí)，使用線性

等效模型分析所產(chǎn)生的誤差不超過(guò)10％。對(duì)于BJT，只要

基－射間信號(hào)電壓幅度Vbem≤10mV，就可以應(yīng)用小信號(hào)等效

分析法。iBvBEIBVBEQ左圖中用藍(lán)色直線代替黑色

曲線，（藍(lán)色線是通過(guò)Q點(diǎn)

的黑色線的切線）藍(lán)色線越

長(zhǎng)，離開黑色線就越遠(yuǎn)，誤

差越大，因此信號(hào)幅度越大

，線性化帶來(lái)的誤差越大，反之越小。1/29/202339北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.5.2混合π型等效電路及等效參數(shù)小信號(hào)等效模型是在小信號(hào)條件下，描述BJT極間交流（動(dòng)態(tài)）電壓與電流關(guān)系的線性電路。1.vbe對(duì)ib的控制作用式中：gm是正向傳輸跨導(dǎo)，rπ是輸出交流短路下的輸入電阻由式1.3.24（P24）1/29/202340北京航空航天大學(xué)202教研室2.vbe對(duì)ic的控制作用ic=gmvbegm=α/rere=VT/IE3.vce對(duì)ic和ib的控制作用rce=1/gcerce表示交流短路下的輸出電阻受vbe正向控制作用，產(chǎn)生ic?？捎檬芸仉娏髟磥?lái)表示。式中：re表示發(fā)射結(jié)正偏電流為IE時(shí)

呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)電阻。gmvbe1/29/202341北京航空航天大學(xué)202教研室共射BJT的基本小信號(hào)等效電路：!!!非常重要1/29/202342北京航空航天大學(xué)202教研室共射BJT的小信號(hào)混合π型等效電路Cπ和Cμ是PN結(jié)電容，rbb’是基區(qū)體電阻。

本等效電路對(duì)工作在放大區(qū)的NPN和PNP管均適用。1/29/202343北京航空航天大學(xué)202教研室1.3.6共射BJT的頻率參數(shù)fβ和fTfβ是共射BJT的截止頻率。此時(shí)幅度為0.707β0fT是共射BJT的特征頻率。此時(shí)幅度為1.fT≈β0fββ0是共射BJT的低頻電流增益。1/29/202344北京航空航天大學(xué)202教研室β的幅頻特性：在f>>fβ的頻率范圍內(nèi)fT≈|β|.ffT是共射BJT應(yīng)用

的增益帶寬積?；?/p>

合π型模型在大約1/3fT內(nèi)適用。增益、帶寬權(quán)衡1/29/202345北京航空航天大學(xué)202教研室例1：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，R