模擬電路：第一章 集成電路元、器件基礎(chǔ)4

隨堂小測(cè)試（5min）畫出共射BJT的基本小信號(hào)等效電路？寫出等效參數(shù)表達(dá)式？各參數(shù)的數(shù)量級(jí)關(guān)系？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教研室共射BJT的基本小信號(hào)等效電路：1/29/20232北京航空航天大學(xué)202教研室BECIBIEICPNDGSBJT場(chǎng)效應(yīng)管FETJFETGSDMOSFET1/29/20233北京航空航天大學(xué)202教研室內(nèi)容組織二極管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗盡增強(qiáng)NPNP1.組成結(jié)構(gòu)2.原理?xiàng)l件,狀態(tài)3.曲線-大信號(hào)曲線表達(dá)式4.小信號(hào)模型模型等效參數(shù)5.參數(shù)1/29/20234北京航空航天大學(xué)202教研室1.4場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET

金屬－氧化物－半導(dǎo)體構(gòu)成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。1.4.1JFET的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性1/29/20235北京航空航天大學(xué)202教研室N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S(源極)D(漏極)JFET結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電溝道1/29/20236北京航空航天大學(xué)202教研室NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET符號(hào)：DGS根據(jù)圖標(biāo)判斷N或P溝道的方法：①找出溝道；②找到方向1/29/20237北京航空航天大學(xué)202教研室PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET符號(hào)：DGS1/29/20238北京航空航天大學(xué)202教研室JFET工作原理（以P溝道為例）：VDS=0V時(shí)PGSDVDSVGSNNNNIDPN結(jié)反偏，VGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。1/29/20239北京航空航天大學(xué)202教研室PGSDVDSVGSNNIDVDS=0V時(shí)NNVGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。但當(dāng)VGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。JFET工作原理（以P溝道為例）：1/29/202310北京航空航天大學(xué)202教研室VDS=0時(shí)PGSDVDSVGSNNIDVGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VGS(off)）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使VDS0V，漏極電流ID=0A。JFET工作原理（以P溝道為例）：1/29/202311北京航空航天大學(xué)202教研室PGSDVDSVGSNN越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大。IDVDS>0且VGS<VGS(off)

、VGD<VGS(off)時(shí)耗盡區(qū)的形狀。JFET工作原理（以P溝道為例）：溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。VGD=

VGS+VSD1/29/202312北京航空航天大學(xué)202教研室JFET工作原理（以P溝道為例）：GSDVDSVGSVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)時(shí)NNIDVDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。漏端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。1/29/202313北京航空航天大學(xué)202教研室GSDVDSVGSNN此時(shí)，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，VDS變化時(shí)，未夾斷區(qū)的長(zhǎng)度有少量變化，但兩端的電壓不變，電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，因此ID基本不隨VDS的增加而增加，呈恒流特性。IDVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)時(shí)JFET工作原理（以P溝道為例）：1/29/202314北京航空航天大學(xué)202教研室N溝道JFET在vGS=0時(shí)的輸出特性曲線：電阻區(qū)溝道預(yù)夾斷恒流區(qū)擊穿區(qū)1/29/202315北京航空航天大學(xué)202教研室N溝道JFET，VDS對(duì)溝道影響1/29/202316北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.2.1N溝道JFET特性曲線1/29/202317北京航空航天大學(xué)202教研室轉(zhuǎn)移特性描述的是：vDS一定時(shí)，vGS對(duì)iD的控制特性。轉(zhuǎn)移特性方程（不考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）：式中：IDSS

表示飽和漏極電流。是vGS=0，vDS=|VGS(off)|

時(shí)的漏極電流。

VGS(off)表示夾斷電壓。是溝道夾斷所需的VGS值。結(jié)論：iD和vGS成平方律關(guān)系，與BJT的輸出特性不同。1.4.2.1轉(zhuǎn)移特性曲線1/29/202318北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.2.2輸出特性曲線四個(gè)區(qū)：I區(qū)－可變電阻區(qū)；

II區(qū)－放大區(qū)（恒流區(qū)）；

III區(qū)－截止區(qū)；

IV區(qū)－擊穿區(qū)；1.可變電阻區(qū)DS極間，預(yù)夾斷前

的溝道體電阻，該體電阻

值由vGS控制。1/29/202319北京航空航天大學(xué)202教研室2.放大區(qū)（恒流區(qū)）和JFET的大信號(hào)特征方程輸出特性曲線上接近平直但稍微斜升的區(qū)域。IDUDS0VGS=0-1V-3V-4V放大區(qū)iD隨vDS基本不變，但

受溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)影

響，略呈斜升狀。1/29/202320北京航空航天大學(xué)202教研室考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)以后的JFET大信號(hào)特性方程：N溝道JFET：P溝道JFET：上面兩式適用于JFET（屬于耗盡型）工作在恒流區(qū)。1/29/202321北京航空航天大學(xué)202教研室關(guān)于λ的解釋：JFET的各輸出特性曲線

（與BJT類似）也可向外

延伸，共vDS軸交于一點(diǎn)

該點(diǎn)電壓記做1/λ。

對(duì)N溝道JFET，1/λ在

iD－vDS橫坐標(biāo)負(fù)軸上。

對(duì)P溝道JFET，1/λ在

iD－vDS橫坐標(biāo)正軸上。

λ的典型值為:10－2/V1/29/202322北京航空航天大學(xué)202教研室

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）可以很好地解決這些問(wèn)題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。1/29/202323北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.3增強(qiáng)型N溝道MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線

MOSFET，是由金屬（M），氧化物（O），半導(dǎo)體（S）

構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)管（FET），故命名為：MOSFET。

MOSFET按照導(dǎo)電溝道的載流子類型可分為N（電子型）

溝道MOSFET（簡(jiǎn)稱NMOS管）和P（空穴型）溝道MOSFET

（簡(jiǎn)稱PMOS管）；按照導(dǎo)電溝道形成機(jī)理，NMOS管和PMOS

管有各有增強(qiáng)型（簡(jiǎn)稱E型）和耗盡型（簡(jiǎn)稱D型）兩種。因此，就有四種類型的MOSFET，分別叫做：

①E型NMOS管

②D型NMOS管

③E型PMOS管

④D型PMOS管1/29/202324北京航空航天大學(xué)202教研室PNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDE型NMOS管結(jié)構(gòu)圖：DGS根據(jù)圖標(biāo)判斷N或P型的方法：①找出溝道；②找到方向1/29/202325北京航空航天大學(xué)202教研室E型NMOS管-演示1/29/202326北京航空航天大學(xué)202教研室PNNGSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道GSDD型NMOS管結(jié)構(gòu)圖：1/29/202327北京航空航天大學(xué)202教研室NPPGSDN型基底兩個(gè)P區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁E型PMOS管結(jié)構(gòu)圖：GSD1/29/202328北京航空航天大學(xué)202教研室NPPGSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道D型NMOS管結(jié)構(gòu)圖：GSD1/29/202329北京航空航天大學(xué)202教研室內(nèi)容組織二極管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗盡增強(qiáng)NPNP1.組成結(jié)構(gòu)2.原理?xiàng)l件,狀態(tài)3.曲線-大信號(hào)曲線表達(dá)式4.小信號(hào)模型模型等效參數(shù)5.參數(shù)1/29/202330北京航空航天大學(xué)202教研室MOSFET的工作原理：1.4.3.1vGS的控制作用自由電子受正電荷吸引向上運(yùn)動(dòng)

復(fù)合掉P型半導(dǎo)體中的空穴，形成空間電荷區(qū)vGS增大超過(guò)VGS(th)后自由電子的濃度大于空穴濃度，形成N型層（反型層）1/29/202331北京航空航天大學(xué)202教研室

VGS(th)是增強(qiáng)型MOSFET開(kāi)始形成反型層所需的vGS值，

稱為開(kāi)啟電壓。對(duì)E型NMOS管，VGS(th)為正值，對(duì)E型

PMOS管，VGS(th)為負(fù)值。反型層出現(xiàn)后，SD極間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，vGS越大，導(dǎo)電溝

道越厚，載流子濃度越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溝道電阻越小。在滿足vDS>(vGS-VGS(th))，且vDS為定值的條件下，vGS通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道電阻值控制iD的值，就是轉(zhuǎn)移特性。

轉(zhuǎn)移特性的考察均是在恒流區(qū)?。?！P44頁(yè)：NMOS為例包括D型和E型1/29/202332北京航空航天大學(xué)202教研室vGS的控制作用-柵源對(duì)溝道的影響演示1/29/202333北京航空航天大學(xué)202教研室E型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線：PNNGSDUDSUGSvGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，電阻越小，iD越大1/29/202334北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.3.2vDS的控制作用vDS使溝道內(nèi)產(chǎn)生電位梯度從而使溝道的厚度不均勻。條件：vGS>VGS(th)vDS增加到vGS－VGS(th)時(shí)，近D端反型層消失，稱為預(yù)夾斷。繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)向S極延伸，夾斷點(diǎn)和S極的電壓不變。1/29/202335北京航空航天大學(xué)202教研室vDS的控制作用（漏源對(duì)溝道的影響演示）

1/29/202336北京航空航天大學(xué)202教研室E型NMOS管的輸出特性曲線：I區(qū)－可變電阻區(qū)

II區(qū)－恒流區(qū)（放大區(qū)）

III區(qū)－截止區(qū)IV區(qū)－擊穿區(qū)保持vGS為不同固定值時(shí)，得到iD隨vDS變化的一族曲線1/29/202337北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.4耗盡型NMOS管和增強(qiáng)型PMOS管工作原理1.4.4.1D型NMOSFET工作原理D型NMOS管

和E型NMOS

管結(jié)構(gòu)基本相

同，區(qū)別僅在

于導(dǎo)電溝道事

先存在，在

vGS=0的時(shí)候，

iD也不等于0。

當(dāng)vGS=VGS(off)

時(shí)，導(dǎo)電溝道

消失，iD=0。vGS=0時(shí)iD>0E型vGS

+4結(jié)論：①D型-平移關(guān)系-E型。轉(zhuǎn)移曲線右移、輸出曲線下移。②N、P溝道均一樣?。ㄒ?jiàn)課本對(duì)照表。）1/29/202338北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.4.2E型PMOSFET工作原理E型PMOS管和NMOS管

的vGS和vDS電壓極性相

反，iD方向也相反。輸出

特性曲線的形狀相似輸出特性曲線處于第三象限E型NMOSN、P原點(diǎn)對(duì)稱！D型NMOSD、E平移！1/29/202339北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.5MOSFET的大信號(hào)特性方程1.4.5.1E型NMOSFET1.可變電阻區(qū)條件：vGS>VGS(th),vDS<(vGS-VGS(th))電流方程：式中：βn是管子的增益系數(shù)，單位為mA/V2式中：μn是NMOS管溝道中電子的遷移率；Cox是

氧化層單位面積電容量；W/L是溝道寬度與長(zhǎng)度之比（式1.4.4）

P431/29/202340北京航空航天大學(xué)202教研室vDS很小時(shí)（例如vDS<0.1V），可簡(jiǎn)化為：可見(jiàn)，vDS一定時(shí)，

iD和vGS成線性關(guān)系。這些特性曲線都近似為直線，直線的斜率由vGS控制1/29/202341北京航空航天大學(xué)202教研室2.臨界恒流區(qū)條件：vGS>VGS(th),vDS=(vGS-VGS(th))以vDS=(vGS-VGS(th))代入式1.4.4后，得：可見(jiàn)iD和vGS成平方率關(guān)系。（式1.4.7）

P43參見(jiàn)P41圖1.4.13中相應(yīng)虛線1/29/202342北京航空航天大學(xué)202教研室3.恒流區(qū)條件：vGS>VGS(th),vDS>(vGS-VGS(th))iD隨vDS增加而稍有斜升，式1.4.7可改寫成：（式1.4.8）

P44式中：λ是溝道調(diào)制系數(shù)，典型值為0.01V-1參見(jiàn)P41圖1.4.131/29/202343北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.5.2E型PMOSFET1.可變電阻區(qū)條件：vGS<VGS(th),|vDS|<|vGS-VGS(th)|電流方程：式中：μp是PMOS管溝道中空穴的遷移率；Cox是

氧化層單位面積電容量；W/L是溝道寬度與長(zhǎng)度之比（式1.4.9）（式1.4.10）|vDS|很小時(shí)：1/29/202344北京航空航天大學(xué)202教研室2.恒流區(qū)條件：vGS<VGS(th),|vDS|>|vGS-VGS(th)|（式1.4.13）參見(jiàn)P43圖1.4.151/29/202345北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.5.3D型NMOSFET可變電阻區(qū)特性方程：恒流區(qū)特性方程：（λ=0）D型：VGS(off)與E型：VGS(th)1/29/202346北京航空航天大學(xué)202教研室D型NMOS管飽和漏極電流IDSS為：和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它們特性的重要

參數(shù)。JFET和D型NMOS管都是耗盡型，故用相同的符號(hào)

VGS(off)表示夾斷電壓。增強(qiáng)型管用VGS(th)表示開(kāi)啟電壓。1/29/202347北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.6MOSFET亞閾區(qū)的傳輸特性

實(shí)際上，MOS管存在弱反型層，對(duì)NMOS管，在vGS<VGS(th)時(shí)，

就已有漏極電流iD。這種現(xiàn)象稱為亞閾區(qū)導(dǎo)電效應(yīng)。對(duì)數(shù)坐標(biāo)1/29/202348北京航空航天大學(xué)202教研室亞閾區(qū)的特性方程：（式1.4.19）

P46式中：ID0稱為特征電流。

n是與襯底調(diào)制有關(guān)的因子。約為1.5～3。亞閾區(qū)的跨導(dǎo)gmsub：BJT的跨導(dǎo)gm：可見(jiàn)，MOS管在亞閾區(qū)的放大能力接近于BJT。1/29/202349北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.7MOSFET的體效應(yīng)和背柵控制特性在vBS≠0的情況下，vBS對(duì)導(dǎo)電溝道也有一定的控制能力，

這種現(xiàn)象稱為體效應(yīng)或襯底調(diào)制效應(yīng)。vBS通過(guò)改變VGS(th)的值改變

iD的值，因而vBS對(duì)iD有控制作

用，B極又稱為背柵。背柵如：當(dāng)vBS<0時(shí)，加BS間反偏電壓，使PN結(jié)耗盡區(qū)擴(kuò)展增厚，使得VGS(th)的值增加。1/29/202350北京航空航天大學(xué)202教研室對(duì)背柵的控制能力通常用跨導(dǎo)比η來(lái)表示：式中：gmb表示背柵跨導(dǎo)；gm表示轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。背柵控制特性表明了MOS管的四極管作用。η<<1

背柵對(duì)iD的控制作用比柵極弱得多。1/29/202351北京航空航天大學(xué)202教研室1.4.8FET的小信號(hào)模型1.4.8.1JFET的小信號(hào)模型小信號(hào)條件：Vgsm≤0.1VGS(off)式中：gm是JFET在小信號(hào)下工作在放大區(qū)時(shí)的正向傳輸跨導(dǎo)。

rds是JFET在放大區(qū)的小信號(hào)輸出電阻。1/29/202352北京航空航天大學(xué)202教研室式中：gm0是VGS=0時(shí)的跨導(dǎo)?？梢?jiàn)，gm是IDSS、VGS(off)和靜態(tài)工作電流ID決定的。若：ID=1mA，設(shè)λ=0.01V－1

則rds=100kΩ因PN結(jié)反偏，rgs數(shù)值非常大，108～1012Ω1/29/202353北京航空航天大學(xué)202教研室JFET的低頻小信號(hào)模型：柵源電阻非常大，可近似認(rèn)為開(kāi)路數(shù)值上為gmvgs的受控電流源輸出電阻，溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)引起。1/29/202354北京航空航天大學(xué)202