模擬電子線路第三章

模擬電子線路第三章1第1頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)管）利用多數(shù)載流子的漂移運動形成電流。

場效應(yīng)管FET(FieldEffectTransistor)結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵場效應(yīng)管IGFET雙極型晶體管主要是利用基區(qū)非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散運動形成電流。2第2頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一JFET利用PN結(jié)反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制漏極電流的大小。IGFET絕緣柵極場效應(yīng)管利用柵源電壓的大小來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。3第3頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―1結(jié)型場效應(yīng)管3―1―1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3―1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號Gate柵極Source源極Drain漏極箭頭方向表示柵源間PN結(jié)若加正向偏置電壓時柵極電流的實際流動方向4第4頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖3―1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號5第5頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一工作原理1.UGS對場效應(yīng)管ID的影響(轉(zhuǎn)移特性曲線)NDGSPP條件：UDS加正電壓，N溝道的多子（自由電子）形成漂移電流——漏極電流ID。UGS反偏電壓↑ID如何變化？UGSUDSID6第6頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一(a)UGS=0，溝道最寬當(dāng)UGS=0時，溝道寬，所以ID較大。NDGSPPUDS7第7頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一(b)UGS負(fù)壓增大，溝道變窄當(dāng)UGS↑→PN結(jié)變厚→導(dǎo)電溝道變窄→溝道電導(dǎo)率↓→電阻↑→ID↓DSPPUGSUDS8第8頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一(c)UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖DSPPUGS直到UGS=UGS（off）時，溝道完全消失，ID=0。UGSoff——夾斷電壓9第9頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―1―2結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線一、轉(zhuǎn)移特性曲線式中：IDSS——飽和電流，表示uGS=0時的iD值；UGSoff——夾斷電壓，表示uGS=UGSoff時iD為零。10第10頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓問題：若UDS增大，轉(zhuǎn)移特性曲線如何變化？分析：UDS增大，多子形成的漂移電流增大，ID增加，轉(zhuǎn)移特性曲線上移。11第11頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一2、UDS對場效應(yīng)管ID的影響（輸出特性曲線）輸出特性曲線分為四個區(qū)域12第12頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDDGS(a)uDS-uGS<|UGSoff|（預(yù)夾斷前）UDSID＞0UGSPPPP圖3―4uDS對導(dǎo)電溝道的影響(b)uDS-uGS>|UGSoff|（預(yù)夾斷后）幾乎不變13第13頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(b)輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V14第14頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)uDS=0時，iD=0。當(dāng)

uDS很小時，uDS↑→iD↑(近似線性增大)當(dāng)

uDS較大時，靠近D極的uDG的反偏電壓↑→靠近D極的耗盡層變寬→導(dǎo)電溝道逐漸變窄，溝道電阻↑“預(yù)夾斷”。出現(xiàn)預(yù)夾斷的條件為：或1.可變電阻區(qū)（相當(dāng)于晶體管的飽和區(qū)）15第15頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一 uGS對iD上升的斜率影響較大，在這一區(qū)域內(nèi)，JFET可看作一個受uGS控制的可變電阻，即漏、源電阻rDS=f(uGS)，故稱為可變電阻區(qū)。16第16頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一2.恒流區(qū)（相當(dāng)于晶體管的放大區(qū)）當(dāng)漏、柵間電壓|uDG|>|UGSoff|時，即預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。當(dāng)UGS一定時：uDS↑→漂移電流↑→iD↑，但同時uDS↑→D結(jié)變寬↑→iD↓，因此iD變化很小，只是略有增加。因此：uDS對iD的控制能力很弱。（類似基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)）17第17頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)UGSoff<UGS<0時，iD與uGS關(guān)系符合uGS對iD控制能力很強18第18頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一4.擊穿區(qū)隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。當(dāng)|UGS|>|UGSoff|時，溝道被全部夾斷，iD=0，故此區(qū)為截止區(qū)。3.截止區(qū)19第19頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―2絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET) 絕緣柵場效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為表面場效應(yīng)器件。IGFET最常用的是金屬氧化物半導(dǎo)體MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。20第20頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點：（1）輸入偏流小，即輸入電阻高達(dá)1010。（2）制造工藝簡單；（3）熱穩(wěn)定性好。IGFET分類：（1）根據(jù)導(dǎo)電類型，分為N溝道和P溝道兩類。（2）根據(jù)uGS=0時，漏源之間是否有導(dǎo)電溝道又可分為增強型（無ID）和耗盡型（有ID）兩種。21第21頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET22第22頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一源極柵極漏極氧化層(SiO2)BWP型襯底N＋N＋L耗盡層A1層SGD(a)立體圖3―2―1絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)23第23頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―5絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖(b)剖面圖SGDN＋N＋P型硅襯底絕緣層(SiO2)襯底引線B半導(dǎo)體24第24頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―2―2N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理DGS(c)符號BBN＋UGSN＋PN結(jié)(耗盡層)P型襯底DS25第25頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一B(a)UGS<UGSth，導(dǎo)電溝道未形成N＋UGSN＋PN結(jié)(耗盡層)P型襯底圖3―6N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的溝道形成及符號開啟電壓UGSth溝道形成原理：SD26第26頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋(b)UGS>UGSth，導(dǎo)電溝道已形成uGS越大→溝道越寬→溝道電阻越小→iD越大這種必須依靠G-S電壓作用才能形成導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)管，稱為增強型場效應(yīng)管。27第27頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3-7E—NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性二、轉(zhuǎn)移特性(1)當(dāng)uGS<UGSth時，iD=0。(2)當(dāng)uGS>UGSth時，iD>0，uGS越大，iD也隨之增大，二者符合平方律關(guān)系。28第28頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一29第29頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一BN＋導(dǎo)電溝道P型襯底UGSN＋三、uDS對溝道導(dǎo)電能力的控制（轉(zhuǎn)移特性）30第30頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―9uDS增大，溝道被局部夾斷(預(yù)夾斷)情況31第31頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)(a)恒流區(qū)區(qū)穿擊圖3―8輸出特性32第32頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一(1)截止區(qū)：uGS≤UGSth，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。(2)恒流區(qū)·曲線間隔均勻，uGS對iD控制能力強?！DS對iD的控制能力弱，曲線平坦?！みM(jìn)入恒流區(qū)的條件，即預(yù)夾斷條件為即：|uGD|>UGSth33第33頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一(b)厄爾利電壓uDSiD0UGSUA(厄爾利電壓)溝道調(diào)制系數(shù)λ：厄爾利電壓UA的倒數(shù)，曲線越平坦→|UA|越大→λ越小。34第34頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一考慮uDS對iD的微弱影響后恒流區(qū)的電流方程為：但λ<<1，則：35第35頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一可變電阻區(qū)：36第36頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―2―3N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionNMOSFET)特點：在uGS=0時，就存在導(dǎo)電溝道（稱原始導(dǎo)電溝道）。只要uDS>0就有iD電流，且uGS↑→iD↑；當(dāng)uGS減小為負(fù)值時，iD↓；當(dāng)uGS=UGSoff時，iD=0，管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。37第37頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號38第38頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(c)DGSB39第39頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一式中：ID0表示uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。40第40頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號41第41頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―2―4各種類型MOS管的符號及特性對比DGSDGSN溝道P溝道結(jié)型FET圖3―11各種場效應(yīng)管的符號對比42第42頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―11各種場效應(yīng)管的符號對比43第43頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一44第44頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―12各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性uDSiD0線性可變電阻區(qū)01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9結(jié)型P溝耗盡型MOSP溝－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789結(jié)型N溝耗盡型增強型MOSN溝UGS/VUGS/V增強型45第45頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一各種類型場效應(yīng)管的工作區(qū)間小結(jié)：JFETUGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結(jié)夾斷。可變電阻區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷46第46頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一UGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結(jié)夾斷。可變電阻區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：

且恒流區(qū)：

且47第47頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一在恒流區(qū)滿足：48第48頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一E-MOSFET(增強型)UGSthUGsthN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結(jié)夾斷。可變電阻區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷49第49頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一UGSthUGsthN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結(jié)夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：且恒流區(qū)：且對于N溝道：50第50頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一UGSthUGsthN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結(jié)夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：且恒流區(qū)：且對于P溝道：51第51頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一在恒流區(qū)滿足：52第52頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一D-MOSFET(耗盡型)截止區(qū)：GS結(jié)夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷UGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD53第53頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一截止區(qū)：GS結(jié)夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：且恒流區(qū)：且對于N溝道：UGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD54第54頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一截止區(qū)：GS結(jié)夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)未夾斷恒流區(qū)：GS結(jié)未夾斷，GD結(jié)夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：且恒流區(qū)：且對于N溝道：UGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD55第55頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一在恒流區(qū)滿足：56第56頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―4場效應(yīng)管放大器場效應(yīng)管有三種基本放大電路：共源、共漏和共柵。其偏置電路也要保證管子工作在恒流區(qū)。由于場效應(yīng)管的輸入電流近似為0，因此它是電壓控制器件。需要選擇合適的UGS和UDS以保證管子工作在恒流區(qū)。57第57頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―4―1場效應(yīng)管偏置電路常用的有兩種偏置電路：RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRG2(b)RG1(分壓式偏置)圖3―14場效應(yīng)管偏置方式(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式58第58頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一自偏壓式：特點是UGS=0。適合JFET和DMOSFET?；旌掀梅绞剑悍謮菏狡?。三種場效應(yīng)管都適合。對于增強型MOSFET，只能采用混合偏置方式。59第59頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一例：設(shè)uGSoff=-5V，IDSS=1mA，試估算電路的靜態(tài)工作點。R1R2R3RDRS20V10k60第60頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一解：畫直流通路。估算法：由電流方程和柵源直流負(fù)載線方程聯(lián)立成方程組求解，即可得工作點。R1R2R3RDRS20V因為iG=0，所以：61第61頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一輸入回路滿足：R1R2R3RDRS10k20V同時在放大區(qū)滿足：62第62頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一聯(lián)立上述兩方程，得到：ID1=0.61mA，ID2=1.64mA將ID1=0.61，ID2=1.64mA代入（1）式，分別得到UGS1=-1.1V，UGS2=-11.4V——（1）——（2）因為UGS2<UGSoff，所以ID2舍去。63第63頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一R1R2R3RDRS10k20V則：UDSQ=20-0.61×(10+10)=7.8V。因此：IDQ=0.61mAUGSQ=-1.1V64第64頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一RDUDDRSuiRGV(a)問題：對于自偏壓式，如何聯(lián)立方程？65第65頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―15圖解法求直流工作點(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式圖解法66第66頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一————柵源回路直流負(fù)載線方程1.對于自偏壓方式2.對于混合偏置方式————柵源回路直流負(fù)載線方程67第67頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一3―4―2場效應(yīng)管放大器分析 求解交流小信號等效電路與雙極型晶體管類似。只是場效應(yīng)管的輸入電流為0，因此輸出電流iD只受輸入電壓控制，不受輸入電流控制?？刂颇芰τ每鐚?dǎo)gm表示。68第68頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一交流小信號等效電路：gmuGSrDSuDS+-GSDrDS是反映了器件的溝道調(diào)制效應(yīng)。69第69頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一gm的求法：①對JFET和耗盡型MOS管，則對應(yīng)工作點Q的gm為：70第70頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一gm的求法：②對增強型MOSFET，則對應(yīng)工作點Q的gm為：W/L↑→gm↑71第71頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―16共源放大器電路及其低頻小信號等效電路(a)電路；(b)低頻小信號等效電路一、共源放大器72第72頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―16共源放大器電路及其低頻小信號等效電路(a)電路；(b)低頻小信號等效電路73第73頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一式中，，且一般滿足RD‖RL<<rds。所以，共源放大器的放大倍數(shù)Au為若gm=5mA/V，則Au=50。①Au：

74第74頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一輸入電阻：

輸出電阻：75第75頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一圖3―17基于Workbench平臺的FET放大電路的計算機仿真76第76頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一例：場效應(yīng)管放大器電路如圖3―18(a)所示，已知工作點的gm=5mA/V，試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝2mA/V(a)77第77頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RDRLuo+-解：低頻小信號模型如上圖所示。78第78頁，共93頁，2023年，2月20日，星期一(a)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V圖3―19共漏電路及其等效電路