微电子电路分析方法与定理

电路定理
置换定理： 在具有唯一解的电路中， 若某支路k的电压为uk，电流 说明： (1)置换定理要求置换后的 电路有惟一解；
为ik，且该支路与其它支路无 耦合，则无论该支路是由什么 元件组成的都可以用下列任何 一个元件置换： 1.用电压等于uk的理想电压 源； 2.用电流等于ik的理想电流 源； 3.阻值为uk/ik的电阻。
RL R0
2 uoc pL max 4 R0
1 2 pL max R0isc 4
正弦稳电路分析
正弦量的三要素
1. 正弦信号的三要素和相量表示
i(t ) I m sin(t i ) 2I sin(t i )
式中振幅Im(有效值I)、角频率ω(频率f)和初相角θi称为正弦 信号的三要素。
2.电路中的基本变量
1) 电流 电荷有规则的定向移动形成传导电流。其大小用电流强度， 即 i=dq/dt 表示，单位为安(A); 规定正电荷运动的方向为电流 的实际方向；假定正电荷运动的方向为电流的参考方向。
2) 电压
电位之差称电压。用移动单位正电荷电场力做功来定义，
即u=dw/dq，单位为伏(V)；规定电位真正降低的方向为电压的
(t )

( 称为正弦量的相位角。t＝0时，t )
称为初相角，简称初相。其大小与计时起点有关。
u(t )
u(t )
u(t )
o
t
o

(b) 0
t

o
t
(a) 0
(c) 0
设两个频率相同的正弦电流i1和i2，它们的初相角分别为θ1和θ2， 那么这两个电流的相位差等于它们的初相角之差，即
解 I m 2 10 14.14A
集成电路制造工艺
硅片的生产 CMOS技术的主流程 超净间及硅片清洗 薄膜生长 光刻与腐蚀 扩散与离子注入 封装 集成电路工艺小结
基尔霍夫定律与电路元件
1 电路模型与电路中基本变量
在集总假设的条件下，定义一些理想电路元件(如R、L、C 等)，这些理想电路元件在电路中只起一种电磁性能作用，它 有精确的数学解析式描述，也规定有模型表示符号。对实际的 元器件， 根据它应用的条件及所表现出的主要物理性能，对 其作某种近似与理想化(要有实际工程观点)，用所定义的一种 或几种理想元件模型的组合连接，构成实际元器件的电路模型。 若将实际电路中各实际部件都用它们的模型表示，这样所画出 的图称为电路模型图(又称电原理图)。
(5 2)
i(t ) Im cos(t ) 2I cos(t )
对正弦电压，同理有
Um 0.707U m 2
(5 3)
通常所说正弦量的大小均指有效值。但在耐压 等场合，要用到幅值。
1、如图所示，VA= -5V UAB= -15V 。
；VB=
10V ；
2、电感的电压相量 超前 于电流相量π/2，电容的电 压相量 滞后 于电流相量π/2。 3、已知i = 20 s i n (3140 t - 30°) A，则其最大值I = 20A ，频率f = 500HZ , 初相位 φ= -300 。
戴维南定理、诺顿定理
戴维南定理
一个含独立源、线性受控源、线性电阻的二端电路N， 对其两个端子来说都可等效为一个理想电压源串联内阻的模 型。其理想电压源的数值为有源二端电路N的两个端子间的 开路电压uoc，串联的内阻为N内部所有独立源等于零(理想电
压源短路，理想电流源开路)，受控源保留时两端子间的等效
1 2
通常在主值范围内取值，即

≤180
对正弦电流 i(t ) Im cos(t ) ，其有效值为
1 I T 1 T

T
0 T
2 I m cos 2 (t )dt
0
1 cos 2(t ) I dt 2
2 m
Im 0.707 I m 2
2.节点电压法
以各节点电位为未知量，将各支路电流通过 支路VAR 用未知节点电位表示，依KCL 列节点 电流方程(简称节点方程)，求解出各节点电位变 量，进而求得电路中需要求的电流、电压、 功 率等，这种分析法称为节点电位法。
G11v1 G12 v2 G1n vn is11 G21v1 G22 v2 G2 n vn is 22 Gn1v1 Gn 2v2 Gnn vn isnn
B E B
基 区 发 射 区 外延层(集电区)
发 射 极
发 射 区
发 集 基 射 区 电 结 结
集 电 区
集 电 极
C
低阻衬底 基 极 C
场效应管
场效应管（FET）是电压控制型器件，利用电 场效应来控制半导体中多数载流子的运动，以实现 放大作用。 场效应管不仅输入电阻非常高（一般可达到几 百兆欧到几千兆欧）、输入端电流接近于零（几乎 不向信号源吸取电流），而且还具有体积小、质量 轻、噪声低、省电、热稳定性好、制造工艺简单、 易集成等优点，是放大电路中理想的前置输入器件。 目前广泛应用的是MOS场效应管。
(2)除被置换部分发生变化 外，其余部分在置换前后 必须保持完全相同；
(3)若电路中某两点间电压为零， 则可将量值为零的电压源 接于该两点间，相当于将该两 点短路；若电路中某支路电 流为零，则可将量值为零的电 流源串接于该支路，相当于 将该支路断开。
齐性定理（homogeneity theorem）：在只有一个激励X作用的线 性电路中，设任一响应为Y，记作Y=f (X)，若将该激励乘以常数 K，则对应的响应Y′也等于原来响应乘以同一常数， 即Y′=f (KX)=Kf(X)=KY。
施主杂质和受主杂质： 对于Si ~ “施主”：P、As、Sb； “受主”：B、Al、Ga、In 。 特点：提供载流子；掺入杂质较难（高温扩散，离子注入）。 多数载流子和少数载流子： 例如 n型半导体 ~
电子：多数载流子； 空穴：少数载流子。
通常金属的电导率为106-104（ cm ）-1，绝缘体的 电导率小于10-10（ cm ）-1，电导率在104-10-10 （ cm ）-1之间的固体称为半导体。 半导体和金属的区别在于半导体中存在禁带，金属 中没有； 半导体和绝缘体要根据禁带宽度和电导率的温度特 性加以区分；
半导体物理和器件物理基础
半导体及其基本特性 半导体中的载流子 pn结 双极型晶体管 MOS场效应晶体管
常温下硅的导电性能主要由杂质决定。 在硅中加入V族元素杂质时有一个价电子成为自由 电子。一个V族杂质原子可以向半导体硅提供一个 自由电子而本身成为带正电的离子，这种杂质称为 施主杂质，依靠电子导电的半导体为n型半导体。 在硅中加入Ⅲ族元素杂质时向半导体提供一个空穴。 一个Ⅲ族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴而 本身成为带负电的离子，这种杂质称为受主杂质， 依靠空穴导电的半导体为p型半导体。
1、单向导电性： V > 0 , 正向导通，多数载流子扩散电流 V < 0 , 反向截止，少数载流子漂移电流 2、电流受温度影响：温度升高，Js升高
————
BJT的基本工作原理 ————
•由两个背靠背的、相互作用(很靠近)的p-n结组成;
• 有两种载流子参加工作 ~ “双极”性;
• 具有电流放大作用; • 具有开关作用.
例 :如图所示电路，求电压uab和电流i1。
解
' uab [6 // 3 1] 3 9V
3 i 3 1A 3 6
' 1
6 12 i 2A 63
" 1 ' uab 6i1" 6 2 1 6 2 6 2 8V
由叠加定理得
实际方向；假定电位降低的方向为电压的参考方向。在分析电 路时，所用到的电流、电压，首先应设出它们的参考方向。
3 功率
做功的速率称功率，即p=dw/dt，单位是瓦(W)。 对
二端电路(其内可以是单个电路元件，亦可以由若干电路
元件组合连接构成)，若电压电流参考方向关联，该段电
路吸收功率 p吸=ui, 供出功率p供=-ui(供出功率也称产生功 率)； 若电压电流参考方向非关联，则计算该段电路吸收 功率和供出功率公式与参考方向关联时均差一负号。
' ' '
2i " 1 (5 i " ) 2i " 0
i" 1A, u" 2i" 2( 1) 2V
i i 'i" 2 ( 1) 1A u u'u" 6 2 8V
i(t ) 10 2 cos(314t 60)A，u(t ) 20cos(314t+ 60)V 已知 求i、u的最大值、有效值、角频率、频率、周期、初相及u、i之 间的相位差 ，画出波形图，i经过多长时间后首次出现零值。
* 基本结构 *
• 构成: 由2个相距很近、背靠背的p-n结组成( 发射区-基区-集电区) ；
有 n-p-n 和 p-n-p 两种结构。
• 放大工作时:
发射结正偏 (→发射结电阻re很小 );
集电结反偏 (→集电结电阻rC 很大 ).
• 制造: Si晶体管常采用平面工艺 (外延, 氧化, 光刻, 扩散, ……); 合金管？
uab u u 9 8 17V
' ab " ab " " i1 i1 i1 1 2 3 A
例: 如图电路，含有一受控源，求电流i, 电压u。
解
10 2i ' ' ' ' ' ' i , u 1 i 2i 3i 2 1 i 2 A, u 3i 3 2 6V