模电第四章分析解析优秀PPT.ppt

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1、三端口放大器件有三端口放大器件有FET和和BJT两大类两大类FET只有一种载流子只有一种载流子电子或者空穴导电子或者空穴导电，故称电，故称FET为单极型器件。为单极型器件。FET是电压限制电流器件。是电压限制电流器件。4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管4.8 结型场效应管（结型场效应管（JFET）4.4 小信号模型分析方法小信号模型分析方法4.2 MOSFET基本共源极基本共源极放大电路放大电路4.3 图解分析方法图解分析方法P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JF

2、ET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET4.1.3 P沟道沟道MOSFET4.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应场效应管是一种利用电场效应来限制其场

3、效应管是一种利用电场效应来限制其电流大小的半导体器件。电流大小的半导体器件。优点：优点：这种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗这种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、抗辐射实力强和制造工抗高、噪声低、抗辐射实力强和制造工艺简洁等优点。特殊是艺简洁等优点。特殊是MOSFET在大规在大规模和超大规模集成电流中占有重要的地模和超大规模集成电流中占有重要的地位。位。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 它

4、以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的它以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的P型硅半导型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散的方法在体薄片作为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形型硅中形成两个高掺杂的成两个高掺杂的N+区。然后在区。然后在P型硅表面生长一型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及及N+区的表面上分别安置三个铝电极。区的表面上分别安置三个铝电极。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极，图为极，图为N沟道

5、增加型沟道增加型MOSFET的代表符号。箭的代表符号。箭头方向表示头方向表示P（衬底）指向（衬底）指向N，垂直短线代表沟道，垂直短线代表沟道，短画线表明在未加适当栅压之前漏极与源极之间短画线表明在未加适当栅压之前漏极与源极之间无导电沟道。无导电沟道。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS=0，没有导电沟道，没有导电沟道 当栅源短接（即栅源电压当栅源短接（即栅源电压vGS=0）时，）时，源区（源区（N+型）、衬底（型）、衬底（P型）和漏区（型）和漏区（N+型）就形成两个背靠背的型）就形成两个背靠背的PN结二极管，结二极管，无论无论vDS的极性如何，其中总有

6、一个的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的。结是反偏的。假如源极假如源极s与衬底与衬底B相连且接电源相连且接电源VDD的负极，漏极接电源正极时，漏极的负极，漏极接电源正极时，漏极和衬底间的和衬底间的PN结反偏的，此时漏源之间结反偏的，此时漏源之间的电阻的阻值很大，可高达的电阻的阻值很大，可高达10的的12次方次方量级。量级。d、s之间没有形成导电沟道，因此，之间没有形成导电沟道，因此，iD=0。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作原理（2）vGSV VTNTN，出现，出现N型沟道型沟道 在栅源之间加上正向电压（栅极接正、在栅源之间加上正向电压（栅极接正、源极接负），则

7、栅极（铝层）和源极接负），则栅极（铝层）和P型硅片型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压几伏的栅源电压vGS，也可产生强电场），也可产生强电场），但不会产生但不会产生iD。这个电场是排斥空穴而吸。这个电场是排斥空穴而吸引电子的，因此，使栅极旁边的引电子的，因此，使栅极旁边的P型衬底型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离中的空穴

8、被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，同时子（负离子），形成耗尽层，同时P型衬型衬底中的少子（电子）被吸引到栅极下的衬底中的少子（电子）被吸引到栅极下的衬底表面。底表面。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作原理（2）vGSV VTNTN，出现，出现N型沟道型沟道 当正的栅源电压达到确定数值时，这当正的栅源电压达到确定数值时，这些电子在栅极旁边的些电子在栅极旁边的P型硅表面形成了一型硅表面形成了一个个N型薄层，即电子反型层，这个反型层型薄层，即电子反型层，这个反型层事实上就是组成了源漏两极之间的事实上就是组成了源漏两极之间的N型导型导电沟道。由于它是栅源

9、正电压感应产生的，电沟道。由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称为感生沟道。所以也称为感生沟道。栅源电压的值越大，则作用于半导体栅源电压的值越大，则作用于半导体表面的电场就越强，吸引到表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的型硅表面的电子就越多，感生沟道将越厚，沟道电阻电子就越多，感生沟道将越厚，沟道电阻的阻值将越小。正如前已初步指出，这种的阻值将越小。正如前已初步指出，这种在在vGS=0时没有导电沟道，而必需依靠栅时没有导电沟道，而必需依靠栅源电压的作用，才形成感生沟道的源电压的作用，才形成感生沟道的FET称称为增加型为增加型FET。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作

10、原理（2）vGSV VTNTN，出现，出现N型沟道型沟道 一旦出现感生沟道，原来被一旦出现感生沟道，原来被P型衬底型衬底隔开的两个隔开的两个N+区被感生沟道连通。因此区被感生沟道连通。因此此时若有漏源电压，将有漏极电流产生。此时若有漏源电压，将有漏极电流产生。一般把漏源电压的作用下起先导电时的栅一般把漏源电压的作用下起先导电时的栅源电压称之为开启电压源电压称之为开启电压VTH4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作原理（3）可变电阻区饱和区的形成可变电阻区饱和区的形成 当当vGS=VGSVTN，如图外加较小，如图外加较小的时，漏极电流将随上升快速增大，与此的时，漏极电流将

11、随上升快速增大，与此相对应，反映在输出特性相对应，反映在输出特性OA上。但随着上。但随着vDS上升，由于沟道存在电位梯度，从源上升，由于沟道存在电位梯度，从源极到漏极电位渐渐上升，而栅极电位沿沟极到漏极电位渐渐上升，而栅极电位沿沟道长度方向是相同的，因此沟道厚度不匀道长度方向是相同的，因此沟道厚度不匀整的；靠近源端薄，靠近漏端厚。沟道呈整的；靠近源端薄，靠近漏端厚。沟道呈现契型。现契型。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作原理（3）可变电阻区饱和区的形成可变电阻区饱和区的形成 当当vDS上升到确定数值时，靠近漏端上升到确定数值时，靠近漏端的反型层消逝，的反型层消逝，v

12、DS接着增加，将形成一接着增加，将形成一夹断区，夹断点向源极方向移动。夹断区，夹断点向源极方向移动。但是夹断区比起沟道长度短很多，而但是夹断区比起沟道长度短很多，而夹断处电场强度很高，仍旧能将电子拉过夹断处电场强度很高，仍旧能将电子拉过夹断区（耗尽层）形成漏极电流。夹断区（耗尽层）形成漏极电流。4.1.1 N沟道增加型沟道增加型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的限制作用对沟道的限制作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道，d、s间加电压时，也间加电压时，也无电流产生。无电流产生。当当00vGS GS V VT T 时时 在电场作用下产生导电沟道，在电场作用下产生导电

13、沟道，d、s间加间加电压后，将有电流产生。电压后，将有电流产生。vGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚V VT T 称为开启电压称为开启电压2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的限制作用对沟道的限制作用靠近漏极d处的电位上升电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当vGSvGS确定（确定（vGS VT vGS VT）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布当当vGSvGS确定（确定（vGS VT vGS VT）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VT

14、T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的限制作用对沟道的限制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD=vGSGS-vDS DS=V VT T预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的限制作用对沟道的限制作用2.工作原理工作原理（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDS vDS确定，确定，vGSvGS变更时变更时 给定一个给定一个vGS GS，就有一条不同，就有一条不同的的 iD D vDS DS 曲线。曲线。3.V-I 特性曲线及大信

15、号特性方程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）输出特性及大信号特性方程 截止区截止区当当vGSVT时时，导导电电沟沟道道尚尚未未形形成成，iD0，为为截截止止工工作状态。作状态。3.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT）由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为rdso是一个受是一个受vGS限制的可变电限制的可变电阻阻 3.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区

16、n：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox：栅栅极极（与与衬衬底底间间）氧氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 23.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V-I I 特性：特性：3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（2）转

17、移特性）转移特性4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理结构和工作原理（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （N N沟道增强型）沟道增强型）4.1.3 P沟道沟道MOSFET4.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应事实上饱和区的曲线并不是平坦的事实上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为的单位为 m当不考虑沟道调制效应时，当不考虑

18、沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。修正后修正后4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数NMOSNMOS增加型增加型1.1.开启电压开启电压VT VT（增加型参数）（增加型参数）2.2.夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）3.3.饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、沟通参数二、沟通参数 1.1.输出电阻输出电阻r rdsds 当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，rdsds 4.1.5 MO

19、SFET的主要参数的主要参数2.2.低频互导低频互导g gm m 二、沟通参数二、沟通参数 考虑到考虑到 则则其中其中4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1.1.最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2.2.最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3.3.最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4.4.最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 4.2 MOSFET基本共源基本共源放大电路放大电路4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析放大电路的习惯画法和主要分析4.2.2

20、 基本共源极放大电路的工作原理基本共源极放大电路的工作原理4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成 T为为N沟道增加型沟道增加型MOSFET，是核，是核心元件，起放大作用。心元件，起放大作用。VDD是漏极回是漏极回路直流电源，它的负端接源极路直流电源，它的负端接源极s，正端，正端通过电阻通过电阻Rd接漏极接漏极d，以保证场效应，以保证场效应管漏极管漏极d和源极和源极s之间的电压之间的电压VDS有一有一个合适的工作电压。个合适的工作电压。VGG是栅极回路是栅极回路的直流电源，其作用给的直流电源，其作用给MOSFET的栅的栅源极之间加上适当的偏置电压，并保源极之间加上适当的偏置

21、电压，并保证栅极和源极之间的电压证栅极和源极之间的电压VGS开启开启电压电压VTN，这样，由于，这样，由于vGS能对漏极能对漏极电流电流iD进行限制，使场效应管有一个进行限制，使场效应管有一个正常的工作状态。电阻正常的工作状态。电阻Rd的一个重要的一个重要作用是将漏极电流作用是将漏极电流id的变更转换为电的变更转换为电压的变更，再送到放大电路的输出端。压的变更，再送到放大电路的输出端。4.2.2 基本共源极放大电路的工作原理基本共源极放大电路的工作原理直流部分和沟通分开分析，单独分析后直流部分和沟通分开分析，单独分析后重叠重叠1、静态、静态静态时，静态时，FET漏极的直流及各电极间的漏极的直流

22、及各电极间的直流电压分别用直流电压分别用ID、VGS、VDS表示。表示。静态工作点静态工作点Q可写成可写成IDQ、VGSQ、VDSQ。4.2.2 基本共源极放大电路的工作原理基本共源极放大电路的工作原理具体步骤：具体步骤：（1）画出放大电路的直流通路；）画出放大电路的直流通路；（2）计算静态工作点参数；）计算静态工作点参数；2、动态、动态4.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简洁的共源极放大电路（）简洁的共源极放大电路（N沟道）沟道）直流通路直流通路共源极放大电路共源极放大电路4.2.2 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及

23、静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简洁的共源极放大电路（）简洁的共源极放大电路（N沟道）沟道）假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即验证是否满足验证是否满足假如不满足，则说明假设错误假如不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS VT，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区即即假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：例：例：设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，4.

24、2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足4.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS（饱和区）（饱和区）4.3 图解分析方法图解分析方法4.3.1 用图解法分析确定静态工作点用图解法分析确定静态工作点4.3.2 动态工作状况的图解分析动态工作状况的图解分析4.2.1 MOSFET放大电路放大电

25、路2.图解分析图解分析由于负载开路，沟通负由于负载开路，沟通负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 4.4 小信号模型分析方法小信号模型分析方法4.4.1 MOSFET小信号模型小信号模型4.4.2 用小信号模型分析共源极放大电路用小信号模型分析共源极放大电路4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型小信号模型分析小信号模型分析（1）模型）模型静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（沟通）（沟通）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2(2(VGSQ-VT)时，时，4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号

26、模型小信号模型分析小信号模型分析（1）模型）模型0 0时时高频小信号模型高频小信号模型小信号模型分析小信号模型分析解：例的直流分析已求得：解：例的直流分析已求得：（2）放大电路分析）放大电路分析s小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析s小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析共漏共漏小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析end4.8 结型场效应管结型场效应管 4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型

27、分析法 4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？2.工作原理工作原理 vGS对沟道的限制作用对沟道的限制作用当当vGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压vGS称为称为夹断夹断电压电压VP（或或VGS(off)）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。vGS接着减小，沟道接着减小，沟道接着变窄。接着变窄。2.工作原理工作原理（以（以N沟道沟

28、道JFET为例）为例）vDS对沟道的限制作用对沟道的限制作用当当vGS=0时，时，vDS ID G、D间间PN结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。分布。当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变2.工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更简洁夹断，时，导电沟道更简洁夹断，对于同样的

29、对于同样的vDS，ID的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP 综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是电压限制电流器件，是电压限制电流器件，iDiD受受vGSvGS限制。限制。预夹断前预夹断前i iD D与与vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，i iD D趋于饱和。趋于饱和。#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJ

30、TBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 与与MOSFET类似类似3.主要参数主要参数4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数4.8.2 FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1.FET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型（2）高频模型）高频模型2.动态指标分析动态指标分析（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型2.

31、动态指标分析动态指标分析（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽视忽视 rds，由输入输出回路得由输入输出回路得则则通常通常则则end*4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体半导体场效应管场效应管本节不做教学要求，有爱好者自学本节不做教学要求，有爱好者自学4.10 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较4.10 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：输出电阻：输出电阻：BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：4.10 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知 试求电路的中频试求电路的中频增益、输入电阻和输出电。增益、输入电阻和输出电。例题例题则电压增益为则电压增益为由于由于则则end根据电路有根据电路有