电子技术基础模拟部分(第六版)康华光ch04.

《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学张林2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林34场效应三极管及放大电路4.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管4.2MOSFET基本共源极放大电路4.3图解分析法4.4小信号模型分析法4.5共漏极和共栅极放大电路4.6集成电路单级MOSFET放大电路4.7多级放大电路4.8结型场效应管（JFET）及其放大电路*4.9砷化镓金属-半导体场效应管4.10各种FET的特性及使用注意事项4华中科技大学张林场效应管的分类：P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道华中科技大学张林54.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管4.1.1N沟道增强型MOSFET4.1.2N沟道耗尽型MOSFET4.1.3P沟道MOSFET4.1.4沟道长度调制等几种效应4.1.5MOSFET的主要参数6华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常WL绝缘体沟道栅极g铝电极（Al）二氧化硅绝缘层（SiO2）源极s漏极dLWN＋N＋P型衬底tox7华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图dgsB衬底符号铝源极sSiO2绝缘层栅极g漏极d铝铝耗尽层P型硅衬底B衬底引线N＋N＋1.结构8华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET（1）VGS对沟道的控制作用当VGS≤0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层P当0VGSVTN时产生电场，但未形成导电沟道（反型层），d、s间加电压后，没有电流产生。sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层P2.工作原理9华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFETsgdPB衬底引线N＋N＋VGGN型感生沟道（反型层）耗尽层当VGSVTN时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVGS越大，导电沟道越厚sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVTN称为N沟道增强型MOSFET开启电压（1）VGS对沟道的控制作用2.工作原理必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的MOSFET称为增强型器件10华中科技大学张林2.工作原理（2）VDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDDsgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层P电场强度减小沟道变薄当VGS一定（VGSVTN）时，VDSID沟道电位梯度iDOvDS整个沟道呈楔形分布VDD11华中科技大学张林sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDDsgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDD当VDS增加到使VGD=VTN时，在紧靠漏极处出现预夹断。iDOvDS预夹断点A在预夹断处：VGD=VGS-VDS=VTN（2）VDS对沟道的控制作用当VGS一定（VGSVTN）时，VDSID沟道电位梯度2.工作原理12华中科技大学张林iDOvDS截止区vGS＜VTN可变电阻区vDSVGS－VT饱和区vDS≥VGS－VTN预夹断BvGS＝VGS＞VTNA临界点预夹断后，VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDD夹断区sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDD（2）VDS对沟道的控制作用2.工作原理13华中科技大学张林（3）VDS和VGS同时作用时VDS一定，VGS变化时sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDDsgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDD给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。2.工作原理14华中科技大学张林以上分析可知沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。MOSFET是电压控制电流器件（VCCS），iD受vGS控制。预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么MOSFET的输入电阻比BJT高得多？MOSFET的栅极是绝缘的，所以iG0，输入电阻很高。只有当vGSVTN时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。15华中科技大学张林iD/mA21.510.502.557.510vDS/V可变电阻区(非饱和区)预夹断临界点轨迹vDS＝vGS－VTN(或vGD＝vGS－vDS＝VTN)3V2.5V2VvGS＝1.5V饱和区截止区3.I-V特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)(vvfi①截止区当vGS＜VTN时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。16华中科技大学张林②可变电阻区vDS（vGS－VTN）])(2[2DSDSTNGSnDvvvVKi由于vDS较小，可近似为DSTNGSnD)(2vvVKi常数GSDDSdsovvdidr)(21TNGSnVKvrdso是一个受vGS控制的可变电阻const.DSDGS)(vvfi（1）输出特性及大信号特性方程iD/mA21.510.502.557.510vDS/V可变电阻区(非饱和区)预夹断临界点轨迹vDS＝vGS－VTN(或vGD＝vGS－vDS＝VTN)3V2.5V2VvGS＝1.5V饱和区截止区3.I-V特性曲线及大信号特性方程17华中科技大学张林②可变电阻区DSTNGSnD)(2vvVKi)(21TNGSndsoVKrvn：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子oxn'nCKLWLWKK22oxnnnC其中Kn为电导常数，单位：mA/V2（1）输出特性及大信号特性方程iD/mA21.510.502.557.510vDS/V可变电阻区(非饱和区)预夹断临界点轨迹vDS＝vGS－VTN(或vGD＝vGS－vDS＝VTN)3V2.5V2VvGS＝1.5V饱和区截止区3.I-V特性曲线及大信号特性方程18华中科技大学张林③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVTN，且vDS≥（vGS－VTN）2TNGSnD)(VKiv2TNGS2TNn)1(VVKv2TNGSDO)1(VIv2TNnDOVKI是vGS＝2VTN时的iDI-V特性：（1）输出特性及大信号特性方程iD/mA21.510.502.557.510vDS/V可变电阻区(非饱和区)预夹断临界点轨迹vDS＝vGS－VTN(或vGD＝vGS－vDS＝VTN)3V2.5V2VvGS＝1.5V饱和区截止区必须让FET工作在饱和区（放大区）才有放大作用。3.I-V特性曲线及大信号特性方程19华中科技大学张林iD/mA21.510.500.511.522.53vGS/VABCDVTNvDC＝5V（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi2TNGSDOD)1(VIiv#为什么不谈输入特性？iD/mA21.510.502.557.510vDS/V可变电阻区(非饱和区)预夹断临界点轨迹vDS＝vGS－VTN(或vGD＝vGS－vDS＝VTN)3V2.5V2VvGS＝1.5V饱和区截止区ABCD在饱和区，iD受vGS控制3.I-V特性曲线及大信号特性方程20华中科技大学张林4.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋sgd二氧化硅掺杂后具有正离子的绝缘层N＋N＋耗尽层N型沟道PB衬底引线dgsB衬底二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流21华中科技大学张林4.1.2N沟道耗尽型MOSFET－6iD/mA86420－4－224vGS/VIDSSVPNiD/mA8642036912vDS/V截止区vDS＝vGS－VPN4V2VvGS＝0V－2V－4V15可变电阻区饱和区(非饱和区)2PNGSDSSD)1(VIiv2TNGSDOD)1(VIiv（N沟道增强型）IDSS2.I-V特性曲线及大信号特性方程22华中科技大学张林4.1.3P沟道MOSFETdgsBdgsB#衬底是什么类型的半导体材料？#哪个符号是增强型的？#在增强型的P沟道MOSFET中，vGS应加什么极性的电压才能工作在饱和区（线性放大区）？23华中科技大学张林4.1.3P沟道MOSFET#是增强型还是耗尽型特性曲线？#耗尽型特性曲线是怎样的？vGS加什么极性的电压能使管子工作在饱和区（线性放大区）？电流均以流入漏极的方向为正！24华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的（N沟道为例）)1()(DS2TNGSnDvvVKi)1()1(DS2TNGSDOvvVIL的单位为m110VL.当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。修正后VA称为厄雷（Early）电压1.沟道长度调制效应25华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDDvBS+-衬底未与源极并接时，衬底与源极间的偏压vBS将影响实际的开启（夹断）电压和转移特性。VTNO表示vBS=0时的开启电压2.衬底调制效应（体效应）N沟道增强型对耗尽型器件的夹断电压有类似的影响26华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应2.衬底调制效应（体效应）通常，N沟道器件的衬底接电路的最低电位，P沟道器件的衬底接电路的最高电位。为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏，要求：N沟道:vBS0P沟道:vBS0sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDDvBS+-27华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应3.温度效应VTN和电导常数Kn随温度升高而下降，且Kn受温度的影响大于VTN受温度的影响。当温度升高时，对于给定的VGS，总的效果是漏极电流减小。])(2[2DSDSTNGSnDvvvVKi可变电阻区2TNGSnD)(VKiv饱和区28华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应4.击穿效应（1）漏衬击穿外加的漏源电压过高，将导致漏极到衬底的PN结击穿。若绝缘层厚度tox=50纳米时，只要约30V的栅极电压就可将绝缘层击穿，若取安全系数为3，则最大栅极安全电压只有10V。sgdB衬底引线N＋N＋VGG耗尽层PVDD（2）栅极击穿通常在MOS管的栅源间接入双向稳压管，限制栅极电压以保护器件。29华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）VDD＋iDTBdsVGGA－gV－＋VTNVDD＋iDTBdsVGGA－gV－＋VPN30华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）VDDiDTBdsmAgIDSS31华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数所以1.输出电阻rdsGSDDSdsVirvDAD12TNGSnds1])([iVλiVλKrv当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞实际中，rds一般在几十千欧到几百千欧之间。二、交流参数)1()(DS2TNGSnDvvVKi对于增强型NMOS管1)(2TNGSnDDSVKivv有32华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数DSGSDmVigv2.低频互导gm二、交流参数2TNGSnD)(VKiv则DSDSGS2TNGSnGSDm])([VVVKigvvv)(2TNGSnVKvDn2iKLWK2Coxnn其中又因为2