模擬電子線路第三章

模擬電子線路第三章1第一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日場效應晶體管（場效應管）利用多數(shù)載流子的漂移運動形成電流。

場效應管FET(FieldEffectTransistor)結型場效應管JFET絕緣柵場效應管IGFET雙極型晶體管主要是利用基區(qū)非平衡少數(shù)載流子的擴散運動形成電流。2第二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日JFET利用PN結反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變導電溝道的寬度，從而控制漏極電流的大小。IGFET絕緣柵極場效應管利用柵源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。3第三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―1結型場效應管3―1―1結型場效應管的結構及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3―1結型場效應管的結構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結若加正向偏置電壓時柵極電流的實際流動方向4第四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖3―1結型場效應管的結構示意圖及其表示符號5第五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日工作原理1.UGS對場效應管ID的影響(轉移特性曲線)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第六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日(a)UGS=0，溝道最寬當UGS=0時，溝道寬，所以ID較大。NDGSPPUDS7第七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日(b)UGS負壓增大，溝道變窄當UGS↑→PN結變厚→導電溝道變窄→溝道電導率↓→電阻↑→ID↓DSPPUGSUDS8第八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日(c)UGS負壓進一步增大，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第九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―1―2結型場效應管的特性曲線一、轉移特性曲線式中：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第十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉移特性曲線為保證場效應管正常工作，PN結必須加反向偏置電壓問題：若UDS增大，轉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，轉移特性曲線上移。11第十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日2、UDS對場效應管ID的影響（輸出特性曲線）輸出特性曲線分為四個區(qū)域12第十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDDGS(a)uDS-uGS<|UGSoff|（預夾斷前）UDSID＞0UGSPPPP圖3―4uDS對導電溝道的影響(b)uDS-uGS>|UGSoff|（預夾斷后）幾乎不變13第十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―3JFET的轉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第十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日當uDS=0時，iD=0。當

uDS很小時，uDS↑→iD↑(近似線性增大)當

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→導電溝道逐漸變窄，溝道電阻↑“預夾斷”。出現(xiàn)預夾斷的條件為：或1.可變電阻區(qū)（相當于晶體管的飽和區(qū)）15第十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日 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第十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日2.恒流區(qū)（相當于晶體管的放大區(qū)）當漏、柵間電壓|uDG|>|UGSoff|時，即預夾斷后所對應的區(qū)域。當UGS一定時：uDS↑→漂移電流↑→iD↑，但同時uDS↑→D結變寬↑→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）17第十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日當UGSoff<UGS<0時，iD與uGS關系符合uGS對iD控制能力很強18第十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日4.擊穿區(qū)隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。當|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第十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―2絕緣柵場效應管(IGFET) 絕緣柵場效應管是利用半導體表面的電場效應進行工作的，也稱為表面場效應器件。IGFET最常用的是金屬氧化物半導體MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。20第二十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)點：（1）輸入偏流小，即輸入電阻高達1010。（2）制造工藝簡單；（3）熱穩(wěn)定性好。IGFET分類：（1）根據(jù)導電類型，分為N溝道和P溝道兩類。（2）根據(jù)uGS=0時，漏源之間是否有導電溝道又可分為增強型（無ID）和耗盡型（有ID）兩種。21第二十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET22第二十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日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絕緣柵場效應管的結構23第二十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―5絕緣柵(金屬-氧化物-半導體)場效應管結構示意圖(b)剖面圖SGDN＋N＋P型硅襯底絕緣層(SiO2)襯底引線B半導體24第二十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―2―2N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、導電溝道的形成及工作原理DGS(c)符號BBN＋UGSN＋PN結(耗盡層)P型襯底DS25第二十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日B(a)UGS<UGSth，導電溝道未形成N＋UGSN＋PN結(耗盡層)P型襯底圖3―6N溝道增強型MOS場效應管的溝道形成及符號開啟電壓UGSth溝道形成原理：SD26第二十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日BN＋導電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋(b)UGS>UGSth，導電溝道已形成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電溝道的場效應管，稱為增強型場效應管。27第二十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3-7E—NMOSFET的轉移特性二、轉移特性(1)當uGS<UGSth時，iD=0。(2)當uGS>UGSth時，iD>0，uGS越大，iD也隨之增大，二者符合平方律關系。28第二十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日29第二十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日BN＋導電溝道P型襯底UGSN＋三、uDS對溝道導電能力的控制（轉移特性）30第三十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―9uDS增大，溝道被局部夾斷(預夾斷)情況31第三十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日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第三十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日(1)截止區(qū)：uGS≤UGSth，導電溝道未形成，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入恒流區(qū)的條件，即預夾斷條件為即：|uGD|>UGSth33第三十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日(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第三十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日考慮uDS對iD的微弱影響后恒流區(qū)的電流方程為：但λ<<1，則：35第三十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日可變電阻區(qū)：36第三十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―2―3N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionNMOSFET)特點：在uGS=0時，就存在導電溝道（稱原始導電溝道）。只要uDS>0就有iD電流，且uGS↑→iD↑；當uGS減小為負值時，iD↓；當uGS=UGSoff時，iD=0，管子進入截止狀態(tài)。37第三十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號38第三十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(c)DGSB39第三十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日式中：ID0表示uGS=0時所對應的漏極電流。40第四十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號41第四十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―2―4各種類型MOS管的符號及特性對比DGSDGSN溝道P溝道結型FET圖3―11各種場效應管的符號對比42第四十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―11各種場效應管的符號對比43第四十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日44第四十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―12各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比(a)轉移特性；(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結型P溝耗盡型MOSP溝－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789結型N溝耗盡型增強型MOSN溝UGS/VUGS/V增強型45第四十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日各種類型場效應管的工作區(qū)間小結：JFETUGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷46第四十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日UGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結夾斷。可變電阻區(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：

且恒流區(qū)：

且47第四十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日在恒流區(qū)滿足：48第四十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日E-MOSFET(增強型)UGSthUGsthN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷49第四十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日UGSthUGsthN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：且恒流區(qū)：且對于N溝道：50第五十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日UGSthUGsthN溝道P溝道uGSiD截止區(qū)：GS結夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷截止區(qū)：可變電阻區(qū)：且恒流區(qū)：且對于P溝道：51第五十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日在恒流區(qū)滿足：52第五十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日D-MOSFET(耗盡型)截止區(qū)：GS結夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷UGSoffUGSoffN溝道P溝道uGSiD53第五十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日截止區(qū)：GS結夾斷。可變電阻區(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷截止區(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第五十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日截止區(qū)：GS結夾斷?？勺冸娮鑵^(qū)：GS結未夾斷，GD結未夾斷恒流區(qū)：GS結未夾斷，GD結夾斷截止區(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第五十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日在恒流區(qū)滿足：56第五十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―4場效應管放大器場效應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第五十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―4―1場效應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場效應管偏置方式(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式58第五十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日自偏壓式：特點是UGS=0。適合JFET和DMOSFET?；旌掀梅绞剑悍謮菏狡?。三種場效應管都適合。對于增強型MOSFET，只能采用混合偏置方式。59第五十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日例：設uGSoff=-5V，IDSS=1mA，試估算電路的靜態(tài)工作點。R1R2R3RDRS20V10k60第六十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日解：畫直流通路。估算法：由電流方程和柵源直流負載線方程聯(lián)立成方程組求解，即可得工作點。R1R2R3RDRS20V因為iG=0，所以：61第六十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日輸入回路滿足：R1R2R3RDRS10k20V同時在放大區(qū)滿足：62第六十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日聯(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第六十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日R1R2R3RDRS10k20V則：UDSQ=20-0.61×(10+10)=7.8V。因此：IDQ=0.61mAUGSQ=-1.1V64第六十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日RDUDDRSuiRGV(a)問題：對于自偏壓式，如何聯(lián)立方程？65第六十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖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第六十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日————柵源回路直流負載線方程1.對于自偏壓方式2.對于混合偏置方式————柵源回路直流負載線方程67第六十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日3―4―2場效應管放大器分析 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m表示。68第六十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日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。69第六十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日gm的求法：①對JFET和耗盡型MOS管，則對應工作點Q的gm為：70第七十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日gm的求法：②對增強型MOSFET，則對應工作點Q的gm為：W/L↑→gm↑71第七十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖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第七十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖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第七十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日式中，，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第七十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日輸入電阻：

輸出電阻：75第七十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日圖3―17基于Workbench平臺的FET放大電路的計算機仿真76第七十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日例：場效應管放大器電路如圖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第七十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RDRLuo+-解：低頻小信號模型如上圖所示。78第七十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期日(a)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V圖3―19共漏電路及其等效電路