模拟电子电路基础2-2

模拟电子电路基础2-2第一页，共26页。2.2结型场效应管休息1休息2引言返回第二页，共26页。2.2.1JFET的结构及基本工作原理S源极D漏极G栅极休息1休息2返回GSDG栅极D漏极S源极第三页，共26页。GSD休息1休息22.2.1JFET的结构及基本工作原理返回第四页，共26页。GSDiDN(2)uDS对iD的影响第五页，共26页。综上分析，可得下述结论:GSDiDN①JFET栅极、沟道之间的PN结应反向偏置，因此，其iG≈0，输入电阻很高。②JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。③预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和，几乎与uDS电压的变化无关。④场效应管只有一种极性的载流子导电，通常称为单极性晶体管。P沟道JFET工作时，其电源极性和电流方向都与N沟道JFET的相反，但工作原理相同。第六页，共26页。输出特性的斜率随栅源电压而变化，栅源电压愈负，输出特性曲线相对纵坐标轴愈倾斜,漏源间的等效电阻愈大。

休息1休息2返回1输出特性曲线l12.2.2JFET特性曲线及参数类型可变电阻区预夹断状态放大区（饱和区）截止区N沟道JFET0>uGS>UGS（off）uDS<uGS-UGS（off）uGD>UGS（off）0>uGS>UGS（off）uDS=uGS-UGS（off）uGD=UGS（off）0>uGS>UGS（off）uDS>uGS-UGS（off）uGD<UGS（off）uGS<UGS（off）<0uDS>0uGD<UGS（off）III:击穿区：当uDS>BUDS后，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿，iD迅速上升IV区:全夹断区：当uGS<UGS（off）时，沟道完全被夹断，iD=0,也称为截止工作区。第七页，共26页。2.2.2JFET特性曲线及参数休息1休息2返回第八页，共26页。3.主要参数2.2.2JFET特性曲线及参数(3)最大漏源电压BUDS

(4)最大栅源电压BUGS

(5)低频跨导gm

跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性曲线工作点上的斜率。

是在uGS=0情况下的跨导

(6)输出电阻rds反映沟道长度的调制效应，是输出特性曲线工作点上切线斜率的倒数。

第九页，共26页。在小信号条件下，微分diD、duGS和duDS可以分别用交流小信号id、ugs和uds来代替。2.2.3JFET的小信号模型休息1休息2返回上式中正是FET的交流参数跨导gm，则是FET的漏源内阻rds的倒数。

得到JFET的低频小信号电流、电压之间的关系式第十页，共26页。2.3金属—氧化物—半导体场效应管（MOSFET）自上世纪80年代以来，大规模MOS集成电路发展十分迅速，使MOS集成电路在当代大规模集成电路中占据主流地位。第十一页，共26页。衬底引线PSiO22.3.1N沟道增强型MOSFET工作原理N+N+SGD第十二页，共26页。iDiDiD……………………………………………………N+SGDPN+iD返回休息1休息2第十三页，共26页。N+SGDPN+……………………iDiDiDiD返回休息1休息2UGS(th)第十四页，共26页。N+SGDPN+4输出特性……………………uGSuGD=uGS-uDSuDSuGS1uGS2uGS3uGS4返回休息1休息2第十五页，共26页。uGSuGD=uGS-uDSuDSN+SGDPN+4输出特性……………………=UGS（th）uGS1uGS2uGS3uGS4返回休息1休息2如果夹断点向源极S方向移动，电压增量几乎全部降落在夹断区上，而沟道电压几乎不变，所以iD不变，呈现恒流特性。第十六页，共26页。5E型NMOSFET大信号特性方程

当考虑到沟道长度的调制效应后，MOSFET管在恒流区的大信号特性方程通常可表示为式中是管子的增益系数，单位为mA／V2:电子的迁移率(600～800cm2／(V·s))；是SiO2氧化层单位面积电容量[(3～4)×10-8F／cm2]]；是沟道宽度与长度之比，简称宽长比。当不考虑沟道长度的调制效应时，即λ=0时，可得式中，，IDSS是uGS=2UGS（th）时的iD值。

第十七页，共26页。N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线也可分成四个区：可变电阻区（Ⅰ区）、恒流区（Ⅱ区，也称为放大区）、击穿区（Ⅲ区）和截止区（Ⅳ区）。将预夹断方程中的等号改为大于号，管子进入放大区（恒流区）；将等号改为小于号，管子进入可变电阻区。

5E型NMOSFET大信号特性方程

休息1休息2类型可变电阻区预夹断状态恒流区（饱和区）截止区N沟道增强型MOSFETuGS>UGS(th)>0uDS<uGS-UGS(th)uGD>UGS（th）uGS>UGS（th）>0uDS=uGS-UGS(th)uGD=UGS（th）uGS>UGS（th）>0uDS>uGS-UGS(th)uGD<UGS（th）0<uGS<UGS(th)uDS>0第十八页，共26页。GN+SDPN+……………………2.3.2

N沟道耗尽型MOSFET⊕⊕⊕⊕⊕继续UGS(off)返回休息1休息2第十九页，共26页。2.3.3MOSFET小信号模型继续返回1.MOSFET的三种基本组态MOSFET在接入工程电路的具体应用中与BJT类似，也有三种组态：①以栅极作输入端，漏极作输出端的共源(CS)组态；②以栅极作输入端源极作输出端的共漏(CD)组态；③以源极作输入端，漏极作输出端的共栅(CG)组态。由于共源组态在实际电路中使用最广泛，下面主要讨论共源组态增强型NMOSFET的小信号模型。第二十页，共26页。2.3.3MOSFET小信号模型

2.背栅控制特性

在集成电路中，为使各MOSFET管之间相互隔离，NMOSFET的衬底要接电路的最低电位，PMOSFET的衬底要接电路的最高电位，因此衬底和源极之间的电压uBS往往不等于零。uBS对MOSFET特性的影响叫体效应或衬底调制效应，这在MOS集成电路中必须考虑的问题。

衬底调制效应是指衬底B极与源极间的电压uBS对iD的控制作用。在增强型NMOSFET中，通常衬底B极比源极S的电位负（低）。即uBS<0（或uSB>0）时，P型衬底与N+区源极之间的PN+结由于反偏变厚，要想维持沟道中的载流子数量与uBS＝0时的相同，就需要增加uGS>UGS（th）才可能出现N沟道，即开启电压值随衬底与源极间的负偏压的数值增加而增加，这种现象称为背栅控制特性。可以证明，在考虑体效应后，NMOSFET的开启电压UGS（th）为式中，UGS（tho）为uBS＝0时的开启电压，2φF为形成强反型层时的表面电势，典型值0.7V，γ为体效应系数（或体阈值参数），γ的大小由衬底和栅氧化层厚度决定，典型值在0.3~0.4V1/2之间。第二十一页，共26页。1.背栅控制特性

uBS对iD的控制作用以背栅跨导gｍb来表征，即

当λuDS<<１时

还可以求出：

背栅控制能力也可以用背栅跨导gmb与转移跨导gm之比来描述。跨导比

表示为讨论：

（1）在βn为常数（W/L为常数）时，gm与过驱动电压（uGS-UGS（off））成正比，或与漏极电流ID的平方根成正比。

（2）若漏极电流ID恒定时，gm与过驱动电压（uGS-UGS（off））成反比，而与βn的平方根成正比。所以要增大gm，可以通过增大βn（W/L）值，也可以通过增大ID来实现，但以增大W/L值最有效。

由上式可得：

另外，在恒流区MOSFET漏源极间的动态电导gds为第二十二页，共26页。3.亚阈区导电特性

亚阈区导电特性是指uGS<UGS（th）时MOSFET的导电特性。在亚阈区，iD与uGS呈指数规律变化，iD可表示为式中，IDO为特征电流，表示当宽长比W／L=1，且各极相对衬底极的电位uG、uS、uD均为零时的漏极电流，n为与衬底调制效应有关的指数因子，典型的n≈l～3，UT=kT／q(常温下UT≈25～26mV)。亚阈区（用下标sub表示）的栅极跨导gmsubG为

在亚阈区，MOSFET的漏极电流与栅源电压呈指数关系，传输特性与BJT类似，栅极跨导gmsubG=ID/nUT，与漏极电流ID成正比，与BJT的放大能力相近。

第二十三页，共26页。3.MOSFET的等效电容

MOSFET有5个极间分布电容，可分别等效为：栅极与漏区电容Cgd；栅极与源区电容Cgs；衬底与漏区电容Cbd；衬底与源区电容Cbd；衬底与栅极电容Cbg。栅极与N型导电沟道之间的氧化层电容CGN，衬底与N型导电沟道之间的PN结耗尽层势垒电容CBN，栅极与源区和漏区覆盖部分的交叠电容CGS和CGD，衬底与源区和漏区间的PN结耗尽层势垒电容CBSJ和CBDJ。第二十四页，共26页。4.MOSFET交流小信号等效模型

当MOSFET在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如图所示。