模拟电路：第一章 集成电路元、器件基础4

随堂小测试（5min）画出共射BJT的基本小信号等效电路？写出等效参数表达式？各参数的数量级关系？写在纸片上，课间由学委收集交上。写上学号。1/29/20231北京航空航天大学202教研室共射BJT的基本小信号等效电路：1/29/20232北京航空航天大学202教研室BECIBIEICPNDGSBJT场效应管FETJFETGSDMOSFET1/29/20233北京航空航天大学202教研室内容组织二极管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗尽增强NPNP1.组成结构2.原理条件,状态3.曲线-大信号曲线表达式4.小信号模型模型等效参数5.参数1/29/20234北京航空航天大学202教研室1.4场效应晶体管（FET）结型场效应管JFET

金属－氧化物－半导体构成的绝缘栅场效应管MOSFET。1.4.1JFET的结构、工作原理和特性1/29/20235北京航空航天大学202教研室N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S(源极)D(漏极)JFET结构：导电沟道1/29/20236北京航空航天大学202教研室NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管JFET符号：DGS根据图标判断N或P沟道的方法：①找出沟道；②找到方向1/29/20237北京航空航天大学202教研室PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管JFET符号：DGS1/29/20238北京航空航天大学202教研室JFET工作原理（以P沟道为例）：VDS=0V时PGSDVDSVGSNNNNIDPN结反偏，VGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。1/29/20239北京航空航天大学202教研室PGSDVDSVGSNNIDVDS=0V时NNVGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当VGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。JFET工作原理（以P沟道为例）：1/29/202310北京航空航天大学202教研室VDS=0时PGSDVDSVGSNNIDVGS达到一定值时（夹断电压VGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使VDS0V，漏极电流ID=0A。JFET工作原理（以P沟道为例）：1/29/202311北京航空航天大学202教研室PGSDVDSVGSNN越靠近漏端，PN结反压越大。IDVDS>0且VGS<VGS(off)

、VGD<VGS(off)时耗尽区的形状。JFET工作原理（以P沟道为例）：沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。VGD=

VGS+VSD1/29/202312北京航空航天大学202教研室JFET工作原理（以P沟道为例）：GSDVDSVGSVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)时NNIDVDS增大则被夹断区向下延伸。漏端的沟道被夹断，称为预夹断。1/29/202313北京航空航天大学202教研室GSDVDSVGSNN此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，VDS变化时，未夹断区的长度有少量变化，但两端的电压不变，电场强度变化不大，因此ID基本不随VDS的增加而增加，呈恒流特性。IDVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)时JFET工作原理（以P沟道为例）：1/29/202314北京航空航天大学202教研室N沟道JFET在vGS=0时的输出特性曲线：电阻区沟道预夹断恒流区击穿区1/29/202315北京航空航天大学202教研室N沟道JFET，VDS对沟道影响1/29/202316北京航空航天大学202教研室1.4.2.1N沟道JFET特性曲线1/29/202317北京航空航天大学202教研室转移特性描述的是：vDS一定时，vGS对iD的控制特性。转移特性方程（不考虑沟道长度调制效应）：式中：IDSS

表示饱和漏极电流。是vGS=0，vDS=|VGS(off)|

时的漏极电流。

VGS(off)表示夹断电压。是沟道夹断所需的VGS值。结论：iD和vGS成平方律关系，与BJT的输出特性不同。1.4.2.1转移特性曲线1/29/202318北京航空航天大学202教研室1.4.2.2输出特性曲线四个区：I区－可变电阻区；

II区－放大区（恒流区）；

III区－截止区；

IV区－击穿区；1.可变电阻区DS极间，预夹断前

的沟道体电阻，该体电阻

值由vGS控制。1/29/202319北京航空航天大学202教研室2.放大区（恒流区）和JFET的大信号特征方程输出特性曲线上接近平直但稍微斜升的区域。IDUDS0VGS=0-1V-3V-4V放大区iD随vDS基本不变，但

受沟道长度调制效应影

响，略呈斜升状。1/29/202320北京航空航天大学202教研室考虑沟道长度调制效应以后的JFET大信号特性方程：N沟道JFET：P沟道JFET：上面两式适用于JFET（属于耗尽型）工作在恒流区。1/29/202321北京航空航天大学202教研室关于λ的解释：JFET的各输出特性曲线

（与BJT类似）也可向外

延伸，共vDS轴交于一点

该点电压记做1/λ。

对N沟道JFET，1/λ在

iD－vDS横坐标负轴上。

对P沟道JFET，1/λ在

iD－vDS横坐标正轴上。

λ的典型值为:10－2/V1/29/202322北京航空航天大学202教研室

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管（MOSFET）可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。1/29/202323北京航空航天大学202教研室1.4.3增强型N沟道MOSFET的结构、工作原理和特性曲线

MOSFET，是由金属（M），氧化物（O），半导体（S）

构成场效应管（FET），故命名为：MOSFET。

MOSFET按照导电沟道的载流子类型可分为N（电子型）

沟道MOSFET（简称NMOS管）和P（空穴型）沟道MOSFET

（简称PMOS管）；按照导电沟道形成机理，NMOS管和PMOS

管有各有增强型（简称E型）和耗尽型（简称D型）两种。因此，就有四种类型的MOSFET，分别叫做：

①E型NMOS管

②D型NMOS管

③E型PMOS管

④D型PMOS管1/29/202324北京航空航天大学202教研室PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDE型NMOS管结构图：DGS根据图标判断N或P型的方法：①找出沟道；②找到方向1/29/202325北京航空航天大学202教研室E型NMOS管-演示1/29/202326北京航空航天大学202教研室PNNGSD预埋了导电沟道GSDD型NMOS管结构图：1/29/202327北京航空航天大学202教研室NPPGSDN型基底两个P区SiO2绝缘层导电沟道金属铝E型PMOS管结构图：GSD1/29/202328北京航空航天大学202教研室NPPGSD预埋了导电沟道D型NMOS管结构图：GSD1/29/202329北京航空航天大学202教研室内容组织二极管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗尽增强NPNP1.组成结构2.原理条件,状态3.曲线-大信号曲线表达式4.小信号模型模型等效参数5.参数1/29/202330北京航空航天大学202教研室MOSFET的工作原理：1.4.3.1vGS的控制作用自由电子受正电荷吸引向上运动

复合掉P型半导体中的空穴，形成空间电荷区vGS增大超过VGS(th)后自由电子的浓度大于空穴浓度，形成N型层（反型层）1/29/202331北京航空航天大学202教研室

VGS(th)是增强型MOSFET开始形成反型层所需的vGS值，

称为开启电压。对E型NMOS管，VGS(th)为正值，对E型

PMOS管，VGS(th)为负值。反型层出现后，SD极间出现导电沟道，vGS越大，导电沟

道越厚，载流子浓度越大，导电能力越强，沟道电阻越小。在满足vDS>(vGS-VGS(th))，且vDS为定值的条件下，vGS通过调节导电沟道电阻值控制iD的值，就是转移特性。

转移特性的考察均是在恒流区！！！P44页：NMOS为例包括D型和E型1/29/202332北京航空航天大学202教研室vGS的控制作用-栅源对沟道的影响演示1/29/202333北京航空航天大学202教研室E型NMOS管的转移特性曲线：PNNGSDUDSUGSvGS越大，导电沟道越厚，电阻越小，iD越大1/29/202334北京航空航天大学202教研室1.4.3.2vDS的控制作用vDS使沟道内产生电位梯度从而使沟道的厚度不均匀。条件：vGS>VGS(th)vDS增加到vGS－VGS(th)时，近D端反型层消失，称为预夹断。继续增大vDS，夹断点向S极延伸，夹断点和S极的电压不变。1/29/202335北京航空航天大学202教研室vDS的控制作用（漏源对沟道的影响演示）

1/29/202336北京航空航天大学202教研室E型NMOS管的输出特性曲线：I区－可变电阻区

II区－恒流区（放大区）

III区－截止区IV区－击穿区保持vGS为不同固定值时，得到iD随vDS变化的一族曲线1/29/202337北京航空航天大学202教研室1.4.4耗尽型NMOS管和增强型PMOS管工作原理1.4.4.1D型NMOSFET工作原理D型NMOS管

和E型NMOS

管结构基本相

同，区别仅在

于导电沟道事

先存在，在

vGS=0的时候，

iD也不等于0。

当vGS=VGS(off)

时，导电沟道

消失，iD=0。vGS=0时iD>0E型vGS

+4结论：①D型-平移关系-E型。转移曲线右移、输出曲线下移。②N、P沟道均一样！（见课本对照表。）1/29/202338北京航空航天大学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电压极性相

反，iD方向也相反。输出

特性曲线的形状相似输出特性曲线处于第三象限E型NMOSN、P原点对称！D型NMOSD、E平移！1/29/202339北京航空航天大学202教研室1.4.5MOSFET的大信号特性方程1.4.5.1E型NMOSFET1.可变电阻区条件：vGS>VGS(th),vDS<(vGS-VGS(th))电流方程：式中：βn是管子的增益系数，单位为mA/V2式中：μn是NMOS管沟道中电子的迁移率；Cox是

氧化层单位面积电容量；W/L是沟道宽度与长度之比（式1.4.4）

P431/29/202340北京航空航天大学202教研室vDS很小时（例如vDS<0.1V），可简化为：可见，vDS一定时，

iD和vGS成线性关系。这些特性曲线都近似为直线，直线的斜率由vGS控制1/29/202341北京航空航天大学202教研室2.临界恒流区条件：vGS>VGS(th),vDS=(vGS-VGS(th))以vDS=(vGS-VGS(th))代入式1.4.4后，得：可见iD和vGS成平方率关系。（式1.4.7）

P43参见P41图1.4.13中相应虚线1/29/202342北京航空航天大学202教研室3.恒流区条件：vGS>VGS(th),vDS>(vGS-VGS(th))iD随vDS增加而稍有斜升，式1.4.7可改写成：（式1.4.8）

P44式中：λ是沟道调制系数，典型值为0.01V-1参见P41图1.4.131/29/202343北京航空航天大学202教研室1.4.5.2E型PMOSFET1.可变电阻区条件：vGS<VGS(th),|vDS|<|vGS-VGS(th)|电流方程：式中：μp是PMOS管沟道中空穴的迁移率；Cox是

氧化层单位面积电容量；W/L是沟道宽度与长度之比（式1.4.9）（式1.4.10）|vDS|很小时：1/29/202344北京航空航天大学202教研室2.恒流区条件：vGS<VGS(th),|vDS|>|vGS-VGS(th)|（式1.4.13）参见P43图1.4.151/29/202345北京航空航天大学202教研室1.4.5.3D型NMOSFET可变电阻区特性方程：恒流区特性方程：（λ=0）D型：VGS(off)与E型：VGS(th)1/29/202346北京航空航天大学202教研室D型NMOS管饱和漏极电流IDSS为：和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它们特性的重要

参数。JFET和D型NMOS管都是耗尽型，故用相同的符号

VGS(off)表示夹断电压。增强型管用VGS(th)表示开启电压。1/29/202347北京航空航天大学202教研室1.4.6MOSFET亚阈区的传输特性

实际上，MOS管存在弱反型层，对NMOS管，在vGS<VGS(th)时，

就已有漏极电流iD。这种现象称为亚阈区导电效应。对数坐标1/29/202348北京航空航天大学202教研室亚阈区的特性方程：（式1.4.19）

P46式中：ID0称为特征电流。

n是与衬底调制有关的因子。约为1.5～3。亚阈区的跨导gmsub：BJT的跨导gm：可见，MOS管在亚阈区的放大能力接近于BJT。1/29/202349北京航空航天大学202教研室1.4.7MOSFET的体效应和背栅控制特性在vBS≠0的情况下，vBS对导电沟道也有一定的控制能力，

这种现象称为体效应或衬底调制效应。vBS通过改变VGS(th)的值改变

iD的值，因而vBS对iD有控制作

用，B极又称为背栅。背栅如：当vBS<0时，加BS间反偏电压，使PN结耗尽区扩展增厚，使得VGS(th)的值增加。1/29/202350北京航空航天大学202教研室对背栅的控制能力通常用跨导比η来表示：式中：gmb表示背栅跨导；gm表示转移跨导。背栅控制特性表明了MOS管的四极管作用。η<<1

背栅对iD的控制作用比栅极弱得多。1/29/202351北京航空航天大学202教研室1.4.8FET的小信号模型1.4.8.1JFET的小信号模型小信号条件：Vgsm≤0.1VGS(off)式中：gm是JFET在小信号下工作在放大区时的正向传输跨导。

rds是JFET在放大区的小信号输出电阻。1/29/202352北京航空航天大学202教研室式中：gm0是VGS=0时的跨导。可见，gm是IDSS、VGS(off)和静态工作电流ID决定的。若：ID=1mA，设λ=0.01V－1

则rds=100kΩ因PN结反偏，rgs数值非常大，108～1012Ω1/29/202353北京航空航天大学202教研室JFET的低频小信号模型：栅源电阻非常大，可近似认为开路数值上为gmvgs的受控电流源输出电阻，沟道长度调制效应引起。1/29/202354北京航空航天大学202