电子技术基础模拟部分-部分5

电子技术基础模拟部分_部分５.txt这世界上除了我谁都没资格陪在你身边。听着,我允许你喜欢我。除了白头偕老,我们没别的路可选了什么时候想嫁人了就告诉我,我娶你。本文由微电子２010贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TＸT,或下载源文件到本机查看。；J\结仁1ＢＪT是由两个ＰN结组成的三端有源器件，分NPN和ＰNP两种类型,它的三个端子分别称为发射极e，基极ｂ和集电极ｃ.由于硅材料的热稳定性好，因而硅BJT得到广泛应用.口表征ＢＪT性能的有输入和输出特性,均称之为V－I特性,其中输出特性用得较多.从输出特性上可以看出,用改变基极电流的方法可以控制集电极电流,因而ＢJT是一种电流控制器件.口BＪT的电流放大系数是它的主要参数,按电路组态的不同有共射极电流放大系数β和共基极电流放大系数α之分.为了保证器件的安全运行，还有几项极限参数,如集电极最大允许功率损耗ＰＣM和若干反向击穿电压,如V(BR)ＣER等，使用时应当予以注意..BJＴ在放大电路中有共射,共集和共基三种组态，根据相应的电路输出量与输入量之间的大小与相位的关系,分别将它们称为反相电压放大器,电压跟随器和电流跟随器.三种组态中的BJＴ都必须工作在发射结正偏,集电结反偏的状态.口放大电路的分析方法有图解法和小信号模型分析法,前者是承认电子器件的非线性,后者则是将非线性特性的局部线性化.通常使用图解法求Q点,而用小信号模型分析法求电压增益,输入电阻和输出电阻.'口放大电路静态工作点不稳定的原因主要是由于受温度的影响.常用的稳定静态工作点的电路有射极偏置电路等,它是利用反馈原理来实现的.口频率响应与带宽是放大电路的重要指标之一.用混合H形等效电路分析高频响应,而用含电容的低频等效电路分析低频响应，二者的电路基础则是RＣ低通电路和RC高通电路.口瞬态响应和频率响应是分析放大电路的时域和频域的两种方法，二者从各自的侧面反映放大电路的性能,存在内在的联系,互相补充.工程上以频域分析用得较普遍.一４.14.1.１半导体三极管测得某放大电路中BJT的三个电极A,Ｂ，C的对地电位分别为ＶA=-9V,18５习题VB＝-6V,Ｖc=－6．2V,试分析A，B,C中哪个是基极b,发射极e,集电极ｃ,并说明此BJT是ＮＰN管还是PＮP管.4.１．2某放大电路中BJT兰个电极A,B,C的电流如Ａ图题4.1.２所示,用万用表直流电流挡测得IA=－2ｍA,1.=-O.04mA，1c＝+2.04mA,试分析A,B，C中哪个是基极ｂ，发射极e,集电极Ｃ,并说明此管是NPＮ还是PＮＰ管，它的画=?４．1.３V(ＢR1CEＯ=30V,若它的工作电压基本共射极放大电路某BJT的极限参数ICM=100mＡ,ＰCＭ＝1５0mW,BVCＥ=10CV,则工作电流ＩC图题４.不得超过多大?若工作电流ＩＣ应为多少?=1ｍA,则工作电压的极限值1.24.24．2.１试分析图题4.2.1所示各电路对正弦交流信号有无放大作用,并简述理由（设,各电容的容抗可忽略).VｃcRC＋+VjＲC,TVo－RbVcc←斗+Ｖ：1１+Cb１TVo（a)Vｃｃ（b)ＩIRb+VjTCb2r,+．＋Vo.,Cb111+'KTVccＶoVjＩlJ(b．.J……VBB（c)图题4.（d）２.１V４.2．2电路如图题４．2.2所示,设ＢＪT的β=8０,ＶBＥ=O．6，1CEü＇VCES可忽略不计,试分析当开关ｓ分别接通A，B,Ｃ三位置时,BJT各工作在其输出特性曲线的哪个区域.并求出相应的集电极电流IＣ.4.2.3测量某硅BJＴ各电极对地的电压值如下,试判别管子工作在什么区域．41８６双极结j＇!极管及放大电路基础UV40kfl114ｋflsCATβ＝８０12V图题4.2．2（a)Vｃ＝６V(ｃ)Vc＝6V(ｅ)Vc=３.6VV.＝0.7VＶE=ＯVＶE=5.4VVE=3.4V(ｂ)Vc＝6Ｖ(d）Ｖc＝6VＶ.=2VV［＝１.3VV=６ＶV.＝4VＶ.=4VＶ[=３．6Ｖ4.3放大电路的分析方法当ｉｃ＝10mA和ic=4.3.1BJT的输出特性如图题４.3.1所示.求该器件的β值;20mA时,管子的饱和压降VCEＳ为多少？4．３.２4.3.3设输出特性如图题4.3．1所示的BJT接人图题4.３.２所示的电路,图中Vｃｃ＝1５V.Ｒ,=1．5ｋO.i．＝20μA.求该器件的Q点.若将图题4.３．1所示输出特性的BJT接成图题4.3.２的电路,并设Vcc＝12V,R，＝１kO.在基极电路中用V．.＝2.2Ｖ和Rb＝5０kO串联以代替电流源iBO求该电路中的I町,ｌＣQ和Vc凹的值,设V.ＥＱ=0.７Ｖ04.3．4设输出特性如图题4.3.1所示的BJＴ连接成图题4．3.２所示的电路,其基极端上接V．.=3.2V与电阻Rｂ=２0ｋＯ相串联,而Ｖcc＝６V.R,=２０00.求电路中的ｌBQ，lCQ和VCEQ的值,设VBＥQ＝0.7V.ic/ｍＡ20~VCCＬI．．LRc１0HiB：10μA/级[EＢＴiＢ＝10μA.５图题4.10vcEN图题4.３．23．１187习题４.3.5求:电路如图题4.３.5a所示，该电路的交,直流负载线绘于图题4．3.5b中，试(1)电源电压Vcc静态电流IBQ,ICQ和管压降ＶCEQ的值；(2)电阻矶，Rｃ的值；(3)输出电压的最大不失真幅度;(4)要使该电路能不失真地放大,基极正弦电流的最大幅ｏ(a）图题4.3．５１23.４(ｂ)56４.3.64.3.74.3.8设ＰNＰ型硅BJT的电路如图题4.3．6所示.问%在什么变化范围内,使Ｔ工作在放大区?令β=100.在图题4.3.６中，试重新选取R.和Rｃ的+VEＥ+10Ｖ值,以便当ＶB=1Ｖ时,集电极对地电压Vc=0.R.画出图题4.3.８所示电路的小信号等效电10ｋＱ路，设电路中各电容容抗均可忽略,并注意标出电压,电流的正方向．TVB4．3.9单管放大电路如图题4.3．９所示,已知BJT的电流放大系数β=500(1)估算Q点;(２)画出简化H参数小信号等效电路;阻rb．;（3）估算BJT的输入电Ｒc5kQ喇-V(4)如输出端接入４kn的电阻负载，计算AE=几/Uz及Al"=voｌ叭.-１0Vｃc4.3.1０放大电路如图题４.３.5ａ所示，已知ＶCC;l!:图题4.3.6=12V.BJT的β＝20.若要求人,10０.１ＣＱ=1ｍA.=-０．7Ｖ0(1）试估算该试确定凡,Re的值,并计算VCEQ０设RL＝∞.4．3.11电路如图题4.3.１1所示，已知BＪT的β=100．VBEQ电路的.点;(2)画出简化的Ｈ参数小信号等效电路;电阻R,,输出电阻Ｒ.；(３)求该电路的电压增益A,,输入（4）若钞.中的交流成分出现图题4．3.１1b所示的失真现象,间是截止失真还是饱和失真?为消除此失真,应调整电路中的哪个元件？如何调整？4．3.１２在图题４.3.１２所示电路中，设电容Ｃ１，C2,乌对交流信号可视为短路."(1)写出静态电流IＣQ及电压ＶCＥQ的表达式;(2）写出电压增益A,,输入电阻R，和输出电阻R.的表达式;(3)若将电容C，开路,对电路将会产生什么影响?4188双极结ifjｊ三极普及放大唱路基础Vｃc<?VｃcRb1HcbltＦＥVＲcCb2+＋UI.Rb2H+4Cｂ１Ｒb１4,cCｂ2卡→TVｏl1ａKＴ(a)RＬＵ．飞IＩRb2ｎRe(ｂ)VccaCb1←斗+Rb３1UZＲb1EVccＲｃTCｂ2３１+lCRb1工o+Ｖo+.R.1TＴRb２（c)IIR'2F－uｒｅ,J叫ZYiTIIR.h(d)牛Ｒb2TC2Vo图题4.3．８4kO300RcｃｏM『1２Ｖ.育ＶｃcＥ23μ＋ISOOＯVｉV.Rs＋ｓòμFUO+ｒ－－图题4．3.94.44．4.1放大电路静态工作点的稳定问题电路如图题4.4.1所示,如Rb=750k!1,R,=6.8ｋ!1,采用3DG6型BJT：(１)当Ｔ=25'c时，β=６0，VＢE=0.7Ｖ,求Q点；(2）如β随温度的变化为0.５%／吃，而VBE随温度的变化为-2ｒnV/＇C,当温度升高至７5＇C时，估算Q点的变化情况;(3）如温度1８９习题UsOｔ(a)图题４．(b)３.１1维持在25'c不变,只是换一个β=115的管子，Q点如何变化，此时放大电路的工作状态是否正常?12VRｃＲb.5０μＦ++＋UIＴＵovs图题4.3.１2图题４.4.14.4．24.4.３如图题4．４.２所示的偏置电路中,热敏电阻R，具有负温度系数,问能否起到稳定工作点的作用?射极偏置电路如图题4.4.3所示,已知β=60０(1)用估算法求.点;(２)求输入电阻Ｔb,;(３）用小信号模型分析法求电压增益A，;(4)电路其他参数不变,如果要使ＶCEＱ=4V,问上偏流电阻为多大?4.4.４在图题４.４.４所示的放大电路中,设信号源内阻Ｒ,=600Q,BJT的β=50.(1)画出该电路的小信号等效电路;(2)求该电路的输入电阻RE和输出电阻Ｒo;(3）当飞=15mV时，求输出电压Vｏ．１９04双极结ZＥZ极管及放大电路基础ＶccRbｌRblVccRcTTRｂ２Rb2(a)~(ｂ)图题４．4.２……Lｎ12V11+＋Vcc1６Ｖ6０knll．3kｎA30μF33kｎII+Rs了叶l＋＋T3０μF3DG4６kｍIv＋１l200n10knｎ+OUS.lｋn,tｙｉ20knｌl2kn内-．Vs．＿--－图题4.4.3图题4.4.44.４.５1000在图题4.４．5所示的电路中,飞为正弦波小信号，其平划值为0，BJT的β=（1)为使发射极电流IEQ约为１ｍA，求R．的值;(2)如需建立集电极电位VCQ为＋５V,求R,．的值；(3)Rj=5kn,求A"ｓ.电路中的Cｂ1和Cｂ２的容抗可忽略,取R，=５0０n.４.４.６4.54．5．1请改正Ｏ电路如图题4.4．６所示,设β＝1０0,共集电极放大电路和共基极放大电路ＶBＥQ＝O.7V0(1)估算Q点;(2）求电压增益A,,输入电阻R;和输出电阻R()０图题４.5.１所示电路属于何种组态?其输出电压飞的波形是否正确?若有错，4.5.2在图题4.5.2所示的电路中，已知Ｒb=260kn,R，.=RL＝5.1kn,R，=50０n,VEＥ=12V，β=50,试求：(1)电路的Ｑ点;(2)电压增益Ａ,,输入电阻R;及输出电阻Ro;(３）若z飞=200mＶ,求VoO4.5．3电路如图题４.5．3所示,设β=100,试求：(１）Q点;(2)电压增益4时=川/飞和A,.~2＝1.1０21飞；(3)输入电阻R;;（4)输出电阻R＂和Ｒｏ２0~191习题15VＲｃCｂj+TR，Cb2UsUoRLRe一1５V图题4.４.5１５V＇1０ｋＱＵRcＣb２nRL10kQRCｂjV巾..v.'s＋1I,l0０kQRb日BRe116０Ｑ10kQ-15V图题4．4．６Re2工ｅCＲjｎＵ1Re甲VｏU.Ｖi,.+l,1/飞ＯＥ,IR３-１ＩR2ＯtＶcc图题4.5．1４192双极结~三极管及放大电路基础图题4.5.2图题4.5．３4.5．4共基极电路如图4.５.4所示.射极电路里接入一恒流源,设β=100,RＳ＝0,RL＝∞.试确定电路的电压增益,输入电阻和输出电阻.＋v.cc飞ｉａLEA+1５V7',，二bQT'干+Us1.0１mARLREVEE一15V图题4.5.4RＯ４.5.5电路如图题4.5．５ａ所示oBJT的电流放大系数为β,输入电阻为rｂｅ,略去了偏置电路．试求下列三种情况下的电压增益Ａ,,输入电阻RE和输出电阻Ro:①ue220,从集电极输出:②飞120,从集电极输出;③Vｓ2=0,从发射极输出.并指出上述①,②两种情况的相位关系能否用图ｂ来表示?符号"+"表示同相输入端,即飞和Ｖ.同相，而符号'-＂表示反相输入端,即飞和Vb反相．４．5.6电路如图题４.５.6所示，设BＪT的β＝1０00(1）求各电极的静态电压值VBQ,（3)若Z端接地,X端接信号源且R,=10kO,Ｙ端接一１0kO（４)若X端接地,z端接－Rs=20０Q的信号电压VＥQ及ＶCQ；(2)求ｒｂ的值;的负载电阻，求Ａ,，(飞Ｉv，);V＂Y端接一1０ｋＯ的负载电阻,求A,，(v,lｖ.);(５)若Y端接地,Ｘ端接一内阻R,为1000的信号电压叭,Z端接一负载电阻1kO，求A,,(ｖ,lv,).电路中容抗可忽略.４.6组合放大电路19３习题ＲcＴEｂ+１V'l,-e'Ｅce-'".,V2,(a)图题4.(b)5.５4.６．１电路如图题4.6.1所示．设两管的β=100，VBEQ=0.7V，试求：（1)IＣQ1,0VCEQ1,lCQ２,ＶCEQ２;（2)A,１,A'2,A，,R,和Ron8knＲcx.I+V+ｌＶRc２４7０n.ｙ'VoTH+ＲlＯ'kn2JOVBＢ=６V11'EＴ＋１1IＥIι三ＩE=lmA.ＺV,斗ＪEj01ξ方工CeEＶEE-lOV图题4.5.6-1５V图题4．6.14.6.2电路如图题４.6.2所示.设两管的β=100,ＶBEQ＝0．7V0（1）估算两管的Q点(设1BQ2<＜1CQＩ);(2）求A,R,和Ｒ..4.6.3电路如图题４.６.3所示．设两管的特性一致，β1=β2=5０,VBEQI=VBＥQ２=O.７V．(1）试画出该电路的交流通路,说明Ｔ,,T2各为什么组态;(2）估算1CQＩ,Vc町,1CQ2,VCEQ2(提示:因VBEQ1＝VBE侣,故有1BQＩ=1ＢQ2);(3）求Ａ,．，Ｒi和R..4．74.７.1放大电路的频率响应某放大电路中Ａ.的对数幅频特性如图题4.7．1所示.(１）试求该电路的中频电压增益IAVＭI,上限频率fH,下限频率儿；(2）当输入信号的频率f=ｆL或ＪλI时,该电路实际的电压增益是多少分贝?41９4双极结ZE三极管及放大电路基础15V'33kｎ3０μFuIEｋ..Eｖ＂Ｔ２＋.U,７．5ｋQlI……Ｙ＋3.３kQ114.7ｋQllｖon5０μF图题4.6.26VV1T12.２kＱVoRc2kＱRe图题4.６.32０１ｇ1Av１/ｄB40卜,飞20ｄＢ／十倍频程1"０-2０dＢ/十倍频程20ｒ：1０2.14.7.２10４106108101011Hｚ图题4.7.１已知某放大电路电压增益的频率特性表达式为ｌ叫圣v(1+jL）（１+JL)１0J\10'J…(式中／的单位为Hz)J试求该电路的上,下限频率，中频电压增益的分贝数,输出电压与输入电压在中频区的相位差．4.7.３一放大电路的增益函数为19５习题A(ｓ)=10一一s一一s+2τ×一－1+ｓ/2节Ｘ106试绘出它的幅频响应波特图，并求出中频增益,下限频率fl和上限频率ｆH及增益下降到1时的频率.4.7.4一单级阻容精合共射放大电路的通频带是５0Hｚ-50kＨz,中频电斥增益ＩA川I=40dＢ.最大不失真交流输出电压范围是-3V-+3Ｖｏ（l)若输入一个10ｓin（４τ×10t)（mV）的正弦波信号,输出波形是否会产生频率失真和非线性失真?若不失真，则输出3电压的峰值是多大?＃．与-L;间的相位差是多少?(2)若V,＝４０sin(4τx25复回答(1)中的问题；(3)若t'；=JOsｉn(４τx5０4.7．５Ｘ3X1０t)(mV),重310t)(mV),输出波形是否会失真？电路如图４.7．5所示,已知BＪT的β=50,'＂.=0.7２knｏ(1)估算电路的Ｆ限频率;(２)IＶ'ｍI=10mV,且ｆ=fL'则ＩV"mI＝?飞与V,间的相位差是多少？一１2V９１ＫＱUC１Ｒb1<112.５ｋnＣRc2lL工ｌμF+才1ｌ00ｎＲb２4ｒlｋｎTVoHRL５.1ｋnＶs(1).．LＣ.寸+５0μF图题4.7.54．7.64.７.7'b'一高频BJT，在ICQ=１.5ｍA时,测出其低频H参数为:,be=1.１ｋn,β.=5０,特征频率fＴ＝１00ＭＨz,Cbν＝３pＦ,试求混合H形模型参数gm,气'e"Tbb，,Ｃb,..电路如图题４.７.５所示,BJT的β=40,矶,=3pＦ,孔,=１0０pF,＇ｗ＝100n,,=Ｉk!lｏ(a)画出高频小信号等效电路,求上限频率fH;(ｂ）如RＬ提高1０倍,问中频区4．７.8电路如图4．４．1所示(射极偏重电路),设信号源内阻Rsｚ5KＱ,电路参数为:电压增益，上限频率及增益-带宽积各变化多少倍?Rbl=33kｎ，Rb２=２2kｎ，R俨＝３.9ｋn,R,＝4.7n,ＲL=5.1ｋｎ，在R,两端并接一电容ce=５0μF，ＶＣｃ＝5Ｖ,１问臼0.3３mA,β．=120，＇回=300kn，'＇'1>'=50n,ｆT=７0０MＨz及C'>'c=1pF.求:（１)输入电阻Ｒ,;(２)中频区电压增益IA""Ｉ；(３)上限频率fH4.7.9限频率.0在题4.7.8所述放大电路中，Cｂ,=Cｂ2＝1μF,射极旁路电容Cｅ=１0μF,求下4．８4．8．1单级放大电路的瞬态晌应若将一宽度为１仰的理想脉冲信号加到一单级共射放大电路(假设只有一个时4１96双极结型三极管及放大电路基础间常数）的输入端,画出下列主种情况下的输出波形.设Vm为输入电压最大值：（1)频带为80MＨｚ；(2）频带为10ＭHz;（３）频带为１ＭHzo(假设λ=0)电路如图题4.8．2所示.(1）当输入方波电流的频率的200Hz时,计算输出电４．8.2压的平顶降落;(2)当平顶降落小于２%时,输入方波的最低频率为多少?Vｃｃ4kn+RCＣb10μFＵOｔsRL2kn图题4.８．24.9SPIＣE习题SＰ4.9．１电路和参数与例SＰＥ4.9.1中图4.４.１相同,设信号源内阻R,＝0．试运用SPICE作如下分析:(1)当正弦电压信号源c的频率为1ｋHz,振幅为1０mＶ时,求输入,输出电ff波形;(2）求电压增益的幅频响应和相频响应;(３)求电路的输入电阻ＲE和输出电阻R.．0ＳP4.９.２电路如图4.３．7所示.设BJＴ的型号为2Ｎ2222,Vcc=5Ｖ,Cbl=１μＦ，RJ,=１M!l.R,=3．3k!l,R唁=0及β=2100去摊Cb2和ＲL'负载电容CL=4pF,直接接到jBJT的集电极和地之间．当输入电压信号飞为-５mV-＋5ｍＶ的正负方波,其周期分别为１０0ms和O．1ms时,求凡的波形OSＰ4．9.3试用SPICE程序求解题4：7．2的答案O197习题国上一章分析了双极型三极管(BJＴ)及其放大电路.本章将介绍第二种主要类型的三端放大器件：场效应管①(FＥＴ)0FＥT有两种主要类型：金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFＥT②)和结型场效应管(ＪFＥT③).由于ＭＯSFET制造工艺的成熟使它的体积可以做得很小,从而可以制造高密度的超大规模集成(ＶLSI)电路和大容量的可编程器件或存储器．结型FET中的结可以是一个普通的PＮ结,构成通常所说的JFET;也可是一个肖特基(Schottky）势垒栅结,构成一个金属－半导体场效应管,即MESFEＴ④oMＥＳＦET可用在高速或高频电路中，例如微波放大电路.本章先介绍MOSFEＴ的结构和工作原理,然后再讨论FEＴ放大电路的三种组态形式:共源极,共漏极和共栅极结构．MＯSＦＥT体积很小,在集成电路放大器中,常用增强型或耗尽型MOＳFＥT做成电流源作为偏置电路或有源负载.因此,带有源负载的放大电路也是本章讨论的内容之一,读者应予以足够的重视.ＪFET放大电路相对应用较少,因此本章将它放到较次的位置.应当i主意到，与BJT的导电机制不同,ＦET只有一种载流子一一电子或空穴导电,故称ＦEＴ为单极型器件.此外，BJT属电流控制电流型器件，对应的ＦET是电压控制电流型器件,而２0世纪初发展起来的电真空器件同属电压控制电流型器件，人们不禁要问，ＦET为何不跨越ＢJT而直接从电真空器件过渡?这是由微电子电路的制造工艺所决定的.①②③④也称"场效晶体管"飞.ＭＯSFＥT系Metal-Oｘidｅ－SemiconducｔorＦieｌdEfｆeｃｔTrａnsistor的缩写．JFET系JunctｉonFｉeｌｄＥｆｆecｔＴｒaｎsistｏr的缩写.MEＳFＥＴ系Metal－SemicoｎｄuctorＦieｌdEffeｃtTransistｏr的缩写.5１98场效应管放大电路'-MＯＳ场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件.这种器件不仅兼有体积小，重量轻,耗电省,寿命长等特点,而且还有输入阻抗高,噪声低,热稳定性好,抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因而获得了广泛的应用，特别是ＭOSＦET在大规模和超大规模集成电路中占有重要的地位.结型场效应管金属氧化物半导体场效应管场效应管的种类很多,按基本结构来分,主要有两大类:MＯSＦＥT和JFET．在MＯSFEＴ中，从导电载流子的带电极性来看，有Ｎ(电子型）沟道MOSFET和P（空穴型）沟道MOSFET；按照导电沟道形成机理不同,NMOS管和ＰMOS管又各有增强型（简称Ｅ型)和耗尽型(简称Ｄ型)两种．因此,MＯSFＥＴ有四种：E型NMOS管,Ｄ型NMOS管,E型PMOＳ管,D型PMOS管.5．1.11.N沟道增强型MOＳFEＴ结构N沟道增强型MOSFET的结构,简图和代表符号分别如图5.l．1ａ,b和ｃ所示.它以一块掺杂浓度较低,电阻率较高的Ｐ型硅半导体薄片作为衬底,利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区.然后在P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及N＋型区的表面上分别安置三个铝电极一→一栅极g，源极s和漏极d①，就成了N沟道增强型MOS管．场效应管的三个电极g,ｓ和d,分别类似于ＢJT的基极b,射极e和集电极c.由于栅极与源极,漏极均无电接触，故称绝缘栅极.图5.l．1c是N沟道增强型MＯSFET的符号．箭头方向表示由Ｐ(衬底)指向N(沟道),图中垂直短画线代表沟道,短画线表明在未加适当栅压之前漏极与游,极之间无导电沟道.图５.１．1a中还标出了沟道长度L(一般为o.5-１0μm）和宽度W(一般为0.５－5０μｍ),L的典型值小于1μm,这说明MOSFET是一个很小的器件.而氧化物的厚度儿的典型值在400i(0.４①×lo-７m)数量级以内.栅极,源极和漏极的英文全称分别为Gatｅ,Sｏｕｒｃe和Drａｉn=5．１1９9金属-氧化物－半导体(MOS)场效应营绝缘体沟道栅极g二氧化硅绝缘层(Si02)铝电极(Al)Ｐ型衬底源极s漏极ｄ（a)铝源极ｓ栅极g漏极dｄ铝棚g.Bs层p型硅衬底B衬底引线（b）(ｃ)N沟道增强型ＭOSFET结构及符号图5．１.1(a)结构(b)简图（纵剖面图）(c）电路符号2.工作原理(1)vcs＝0,没有导电沟道在图5.1．2ａ中，当栅源短接（即栅源电压Vcs=0)时,源区(Ｗ型),衬底(Ｐ型)和漏区（W型)就形成两个背靠背的PN结,无论ＶＤＳ的极性如何，其中总有一个PＮ结是反偏的.如果惊极s与衬底B相连且接电源VDD的负极，漏极接电源正极时，漏极和衬底间的PＮ结是反偏的,此时漏源之间的电阻的阻值很大,可高达１01２fｌ数量级，也就是说，d,s之间没有形成导电沟道,因此,in＝0．（2)ＶCＳ~VT时，出现Ｎ型沟道如图5.1.2b所示，当UＤS=O,若在栅源之间加上正向电压(栅极接正，源极接负),则栅极(铝层)和P型硅片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,介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场(由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压VCS'也可产生高达10＿1０Ｖ/cm数量级的强电场),但不会产生气．这个电场是排斥空穴而吸2005６5场效应管放大电路引电子的,因此,使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,留下不能移动的受主离子（负离子),形成耗尽层,同时P型衬底中的少子(电子)被吸引到栅极下的衬底表面.当正的栅摞电压到达一定数值时,这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层,称之为反型层,这个反型层实际上就组成了源,漏两极间的N型导电沟道.由于它是栅源正电压感应产生的,所以也称感生沟道（见图5．1.2ｂ).显然,栅源,电压ＶGS的值愈大,则作用于半导体表面的电场就愈强,吸引到P型硅表面的电子就愈多，感生沟道将愈厚，沟道电阻的阻值将愈小.这种在VGＳ＝0时没有导电沟道,而必须依靠栅源电压的作用，才形成感生沟道的FＥT称为增强型FET．图５.１.了增强型FET在VＧS=0时沟道是断开的特点.1c中的短画线即反映一旦出现了感生沟道,原来被Ｐ型衬底隔开的两个N+型区就被感生沟道连通了.因此,此时若有漏洒,电压V肘,将有漏极电流iD产生.二应盟主最累虫庄s二氧化ltD,-AUEg耗尽层PB衬底引线耗尽层N?生)沟道Ｂ衬底引线(a)(b)sｄlｌ主禾IDs|ｉＮ+（感生)沟道PＢ衬底引线PB衬底引线(c）(ｄ)图5．1．2Ｎ沟道增强型MOSFET的基本工作原理示意图(ａ）vＧS＝ü时，没有导电沟道(b)VGS主VT时,出现N型沟道(c）VGＳ>町，ＶDＳ较小时.'ｎ迅速增大（d)VGS>ＶTψｎs较大出现夹断时.'n趋于饱和5.1２01金属－氢化物-半导体(MＯＳ);场效应营作用下开始导电时的栅惊电压Vcs叫做开启电压VＴ①.因此,当l7r;s<矶，iD坦0,场效应管t作于输ｔfi特性ＩMｌ线的截止区(靠近横坐标处)，如图５．1.3a所示.(3)可变电阻区和饱和区的形成机制当1；4，,=Ｖ"叭>Vr,如图5.l.２c所示,外加较小的l7DS时,漏极电流in将随川同１:升迅速增大,与此相对应，反映在输出特性上就如图5．1.３a所示的OA段，输出特性曲线的斜率较大.但随着ＶD:-.上升,由于沟道存在电位梯度,因此沟道厚度是不均匀的:靠近ｉ原端厚,靠近漏端薄,即沟道呈模形．当l70S增大到一定数值(例如Ｖ(；n=1JGS-Ｖｎ~lｌT）'这时靠近漏端反型层消失,ＶＤS继续增加,将形成夹断区（反型层消失后的耗尽区),夹断点向源极方向移动,如图5．1．２d所示〉值得注意的是,虽然沟道夹断,但耗尽区中仍可有电流通过,只有将沟道全部夹断,才能使iＮ=ＯＱ只是当U阴继续增加时,Voｓ增加的部分主要降落在夹断区,而降稽在导l毡沟道上的电压基本不变，因而１iDSｔ升,iD趋于饱和,这时输出特性曲线的斜率变为0，即由可变电阻区进入饱和民(见图5.l.３a中的AＢ段)c我们常将这种夹断称为预夹断.预夹断的临界条件为l7ＧnUD-＝tｈ＝1iGS-！!DS=VT或预夹断临界点轨迹ＺD|饱和区Vaｓ-VTＩl＇lJVＤS=Vas-ＶＴ（或vaD=vas-VDS=VＴ)8,可变电阻dAB饱和区７Ｖ6ＶDｓ?ovａs－vTm夹断点ＶGＳ=VGＳ>ＶTB5VC2vＧｓ=３VvGS……，－．co<(a)i￥1５.1.３(ａ)Ｖ.f'.5１0(b)１520VDｓ／VN沟道增强型MＯS管输出特性(b)输出特性l！G~：;:：VGS>ＶT和ＶGＳ<ＪｉT3.V-I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MOＳFET的输出特性是指在栅源，电压ｌ７C；S一定的情况下,漏极电流ｉＤ与漏⑦汗启电！五叭的下标T为Threｓhold-,-i司的字头．对F图5．J.2所示衬底B与源极s连在一起，即／JR吨＝0时的开启电!王称为零衬偏开启电!五.也常用ｌ气.表示.以示区别．此外，有的教材也用JiCS(剧表示开启电!长520２场效应管放大电路游,电压Vns之间的关系，即i[）=！（川s）UGN=常数图５.1.3ｂ所示为-Ｎ沟道增强型ＭOS管完整的输出特性．因为VGＯＶGS－v［J,VT是预夹断的临界条件,据此可在输出特性I二i国lH顶夹断轨迹,如图5.1.３b中左边的虚线所示O显然,该虚线也是叮变电阻识和饱和区的分界①截止区线.现分别对王个区域进行讨论O当Vcs<V1时,导电沟道尚未形成,ｉlｌ=O,为截止工作状态．②可变电阻区在可变电阻区内其V-1特性可近似表示为Ｖos~(vω－VT）（5．1.1）－iｏ＝KJ2(Vcs其中一飞）vｏsv~J(5.１.2)K-K'nW－μnC旧（W）.二一一.飞ＬJL22(5.１．3)式中本征导电因子K;＝μnCoｘ(通常情况下为常量),μｎ是反型层中电子迁移率,2Cｏｘ为栅极（与衬底间)氧化层单位面积电容①,电导常数凡的单位是mＡ/V．在特性曲线原点附近,因为Vos很小，可以忽略瓜,式(5.1.2)可近似为(５.1.4)io=2Kn(vｃS-VT）vDS由此可以求出当ＶGS一定时，在可变电阻区内,原点附近的输出电阻rdso为ｖ'do=d-－ｚdU-Im咀7cs常数2Kn（vCS-VＴ)（5.1.5)式(５.1.5)表明，ｒｄso是一个受VGＳ控制的可变电阻.③饱和区（恒流区又称放大区)当VCS主VT,且VOS;;；:.Vｃs-VT时,MOSFＥT已进入饱和区OVOSVGＳ-V,!,代入式（5.1．２),便得到饱和区的Viｏ=Ｋn(1JGS－＂由于在饱和区内，可近似看成iｕ不随Vos变化.因此,将预夹断临界条件VT)2＝KｎＶ~2ｖ＂,I~～ＳＩ飞VT-式中１00(2)KnV～,它是1ＪGS=2VT时的iDO转移特性.IＩ~~SI1Ｊr,11=1０0／飞Vr＼一I特性表达式-11/.\（５.1.6)电流控制器件BJＴ的T.作性能,是通过它的输入特性和输出特性及一些参①ｃ()'(工氧化物介电常数8,,~/氧化物的厚度儿.对于硅器件,凡=（3.9)(8．85x10－14)第201页.F／em"有关这方面的内容,可参阅:计北京:电FL＞lf.出版社,2003［美JＤonａlｃlA.Ｎeａｍeｎ著-赵桂钦,卡卡色萍译.电子电路分析与设ｔ'203５1金／霄-室主化幼-二手飞雪在世(MOS).场效应营数来反映的.ＦＥT是电压控制器件，它除了用输出特性及一些参数来描述其性能外,由于栅极输入端基本上没有电流,故讨论它的输入特性是没有意义的O所谓转移特性是在漏摞电压VOS一定的条件下,栅源电压VGS对漏极电流iD的控制特性,即io=f(vＧs）VＤＳ由于输出特性与转移特性都是反映ＦＥT工作的同一物理过程,所以转移特性可以直接从输出特性上用作图-常数法求出.例如,在图5.1.弛的输出in/mAU特性中，作ＶOS=10V的一条垂直线，此垂直线与各条输出特性曲线的交点分别为Ａ,B，Ｃ,D和Ｅ，将８BA６4Ｖ上述各点相应的iD及VＧS值画在ｉＤVGS的直角坐标系中,就可得到转移Ds=1０V特性ｉo=f(vGs)VDS=IO，如图V2ＹT.Ｊ'.1115.1.4所示．由于饱和区内,ｉＤ受VＯS的影响很小,因此,在饱和区内不同Ｖos下图5.1234５671.4由图5.VGS/V１.3作出的转移特性的转移特性基本重合.次曲线,而BJT的输入特性,例５.1.1此外,转移特性也可由式(5.1.6）画出．由式(５.１.6)可知,这是一条二iｃ与VBE的关系是指数关系.故MOS管的转移特性比BJＴ输入特性的线性要好些.２L=3μm,凡＝65０cｍ/V'Ｓ，Cox=76．7设N沟道增强型ＭOS管的参数为VＴ=Ｏ．75Ｖ,W=3０μm,X10-9F／cｍ2,且VＧS=2VT,MOSFET工作在饱和区.试计算此时场效应管的工作电流iD.解:由式（5.1.3）可确定电导参数值为Ｋ=wíμｎCox－3０×1０4cｍx65０ｃmZ／V-ｓx76．７x１０'9Ｆ／CII12-一2L2X3x１０-4cm＝249２７５X１0－9Ｆ/Vｓ=0.２４９Ｘ1０－3F／Vs=０.２４9×10-4坐2.s=O.2４９x10－3A＝O.24９ｍA/Ｖ2,V.当tＪcs=2VT时，由式(５.1.６)得iｏ＝Kn(ＶGS-VT)２=0．2４9x(1．5-O.75)２mA=O.１４mA5204场效应管放大电路5.1.2N沟道挺尽型MOＳFＥＴ1.结构和工作原理简述前面讨论N沟道MOSFET时,都是以增强型为例,N沟道耗尽型MOSＦET(D型NMＯS管)的结构与增强型基本相同O由前面讨论知道,对于N沟道增强型FET,必须在Ｖcs＞ＶＴ的情况下从游，极到漏极才有导电沟道,但N沟道耗尽型ＭOSFＥT则不同．是盟主主主旦是恩」且工豆至丛吏鱼线是虫麦克玉皇的正离子，即使在Vcs=0时，由于正离子的作用,也和增强型接入正栅源电压并使Vｃs>VT时相似,能在源区(N+层)和漏区（N+层)的中间P型衬底上感应出较多的负电荷（电子),形成N型沟道，将源,区和漏区连通起来，如图5．1.5a所示,图ｂ是其电路符号（注意与增强型符号的差别）．因此在栅源电压为零时,在正的Vos作用下,也有较大的漏极电流ｉＤ由漏极流向源，极O８９ｇlj＞掺离杂子后的具绝有缘层正」9d｜二氧化硅,LL>>>＞-+++++++＋…d'.＋gＮ型沟道''衬底11s.BＰB衬底引线(a)图5．1.(b）5N沟道耗尽型MＯSFEＴ(b)电路符号（a)结构图当Vｃs>０时,由于绝缘层的存在,并不会产生栅极电流ｉG，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽．在ＶＤS作用下,iD将具有更大的数值.如果所加的栅源电压ＶCＳ为负,则使沟道中感应的负电荷(电子)减少,沟道变窄，从而使漏极电流减小.当h为负电压到达某值时,以至感应的负电荷(电子)消失,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断.这时即使有漏源电压VＯS会有漏极电流ｉDＯ此时的栅源,电压称为夹断电压（截止电压）Vｐ①．上无栅流,这是耗尽型ＭOSFEＴ的重要特点之一.①在有些教材中也用VGS(ofｆ）表示夹断电压（截止电压）.'也不这种N沟道耗尽型MOＳＦEＴ可以在正或负的栅源电压下工作,而且基本5.1205金属-章主化物－半导体(ＭOS）;场效应管2．Ｖ-I特性曲线及大信号特性方程N沟道耗尽型MOＳ管的输出特性和转移特性曲线如图５.1.6(ａ)，所示cio／mAio/mAj可变(b）Vos＝Vａs-Vp84V2864２.Vas=OＶ-2V-4V止区369(ａ)12图５.l.６15ｖos／V－６-4-２0（b）24vaｓlVN沟道耗尽型MOS管特性曲线(ａ)输出特性曲线（b）VS＞(Ｖｃs卢Vp）时的转移特性耗尽型MＯS管的工作区域同样可以分为截止区,可变电阻区和饱和区O所不同的是Ｎ沟道耗尽型MOS管的夹断电压Vp为负值,而N沟道增强型MOＳ管的开启电压VＴ为正值.耗尽型ＭOSＦＥT的电流方程可以用增强型ＭOＳFＥＴ的电流方程(５．１.2),(5.1．4）和(5.1.6）表示,但这时必须用几取代VT．在饱和区内,当VＣS(5.1.６)可得=0，VＤS"'"(vcs-Vp)时(即进入预夹断后），则由式iu=KｎＶ；=IＤSS示栅源极间短路的意思．因此式(5．１.6)可改写成(5.1.７）式中1DＳ5为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流.IDSS下标中的第二个S表ioz叫1-节(5.1．８)５.１．3p沟道MOSFET与N型MOS管相似，P型MOS管也有增强型和耗尽型两种.它们的电路符号如图5.1．7a,b所示,除了代表衬底的B的箭头方向向外，其他部分均与NMOＳ相同，此处不再赘述.但为了能正常工作,PＭOS管外加的VDS必须是负值，开启电压V＇[也是负值.而实际的电流方向为流出漏极,与通常的假定正好相反.5206～元效应管放大串,路ddg．ＢgBss(a)图5.1.(b)7P沟道MOSFET电路符号(b)耗尽型电路符号(a)增强型电路符号Ｐ沟道增强型MOS管沟道产生的条件为ｔＹGSZZVT(5.1.9)可变电阻区与饱和区的界线为ＯＳ－VGＳVGＳ-－VＴ(５．１．10）在可变电阻区内:VGS:０::；VT，Ｖvs~VT,电流的假定正向为流入漏极时,则iD为ｉo在饱和区内:Ｖ＝-K[2(ｐVGＳ-VT)VOS-v~)sＪ(５.1.11)ｃs：0::;VT，VDS主EUGS-VT,电流ｉD为-iｏ=－Kｐ(vGSVT）2=叫苦2L1)(５.1.１2)式中IＤo=kpv;,kp是P沟道器件的电导参数,可表示为Kp些正主(５.1.13)W,L，Co,分别是沟道宽度,沟道长度,栅极氧化物单位面积上电容.凡是空穴反型层中空穴的迁移率．在通常情况下,空穴反型层中空穴的迁移率比电子反型层中电子迁移率要小，μｐ约为μｎ/20５.1.４沟道长度调制效应在理想情况下,当MOSFET工作于饱和区时,漏极电流iD与漏游,电压Vvｓ无关.而实际MOS管在饱和区的输出特性曲线还应考虑Ｖos对沟道民度Ｌ的调制作用,当VGS固定,VDS增加时,iD会有所增加.也就是说,输出特性的每根曲线会向上倾斜,因此,常用沟道长度调制参数λ对描述输出特性的公式进行修正.以N沟道增强型MOS管为例,考虑到沟道调制效应后,式(５．１.6）应修正为5．1207金属-氧化物－半导休（MOS）;场效应管ｉo=Kn(vcs-VＴ)2（1＋λVoｓ)0.１（号-lｙ(1+川)＝100（５.1.14)对于典型器件，λ的值可近似表示为λ＝z－YA_._1(5.1.１５)式中沟道长度L的单位为μffio5.1.5ＭOＳＦＥT一,直流参数1．开启电压的主要参数VTVT是增强型MOS管的参数.当Ｖｏｓ为某一固定值（例如１0Ｖ)使iD等于一微小电流（例如５0μＡ）时,栅源间的电压为VTＯ2.夹断电压VｐVp是起尽型FEＴ的参数.通常令Vos为某一固定值(例如10V),使iD等于一个微小的电流(例如20μＡ)时,栅源之间所加的电压称为夹断电压.３.饱和漏极电流IDSSloss也是耗尽型ＦＥT的参数.在VGＳ通常令=0的情况下，当II>IVＩ时的漏极电流称为饱和漏极电流IＤＳＳＶOSI=10V,=０V时测出的~D就是IDＳＳ.在转移特性上,就是VGＳVＤSp0Vcs=0时的漏极电流（见图5．1.6b)４.直流输入电阻RGＳ0在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定电压时的栅肃,直流电阻就是直流输入电阻Rｃｓ0ＭOS管的ＲGS可达１0９n_101５n.二,交流参数1.输出电阻几ｓｒδVos.1＿=一一一-u'iDI(5.1．１6a)VGS输出电阻rd，说明了VDS对iＤ的影响，是输出特性某一点上切线斜率的倒数．当不考虑沟道调制效应（λ＝0）时,在饱和区输出特性曲线的斜率为零,rｄ,→∞．当考虑沟道调制效应(λ笋0)时,输出特性曲线倾斜,对增强型ＮMOＳ,由式（5.1.1４)和式(5.１．16a）可导出（ｖGS…飞)2]－1rd，=[λＫn=τ1A~Ｄ(5.1．16b）因此ｒｄ,是一个有限值,一般在几十千欧到几百千欧之间.2085场效应管放大电路2.低频互导gm在VOS等于常数时,漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为互导,即．ｉＤｇm-一一VGｓlvDS（5.1.１7)互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力,它相当于转移特性上工作点的斜率.互导gm是表征ＦＥT放大能力的一个重要参数，单位为mS或间.gm一般在十分之几至几毫西的范围内,特殊的可达10０mS,甚至更高.值得注意的是,互导随管子的工作点不同而变,它是FEＴ小信号建模的重要参数之一.以N沟道增强型MOSFET为例,如果于头没有FET的特性曲线，则可利用式（5.1.６)和式（5.１．17)近似估算gm值,即gmm．iDθ［Ｋn（vGS--ＶT)2JVDSvGSIVDＳδVＧS=２Kn（vGS-VＴ)（5.1.18）考虑到ｉD=Ｋn(VＧSVT)2和１0０-ＫnV~,式（5.1.18)又可改写为ι=2而＝卡山上式说明,(５.1.19），所以，沟道宽长比W/LｉD越大,gm愈高,考虑到ｋn=三号主Ｗ/ＬｌLC愈大，gm也愈高.因为gm=乒<ｌ.VIGS，代表转移特性曲线的斜率,因此,互导gm值也可由转VDS移特性曲线图解确定O三,极限参数1.最大漏极电流10Ｍ10M是管子正常工作时漏极电流允许的上限值．2.最大耗散功率POMFET的耗散功率等于h和i口的乘积,即PＤM＝ｈｓi日,这些耗散在管子中的功率将变为热能，使管子的温度升高.为了限制它的温度不要升得太高,就要限制它的耗散功率不能超过最大数值ＰOM.显然，ＰOM受管子最高工作温度的限制Ｏ3.最大漏据电压V(BR)OＳ最大栅糠电压V(BＲ)GＳV（ＢR)OS是指发生雪崩击穿,iD开始急剧上升时的暂时值.４.V(BR)GS是指栅源问反向电流开始急剧增加时的VGS值.除以上参数外,还有极间电容,高频参数等其他参数．表5.1.１列出了几种ＦET的主要参数．５．1209金属-氢化物『半导体（MＯS)场效应管表５．1.1场效应管主要参擞①低频噪声参数名称零栅压夹断电压或共源小信号开启电压Vp或VT漏极电流低频互导极间电容最大漏最大漏最大栅最大耗栅电压源电压源电压散功率储藏温度最大漏源电流备注参数符号单位ｌossmA1-３g拥C.．pF<2５Ｃ．ｄpＦ<5FdB＜１VocVosV4０VcｓPOMmＷT．'c-55句10MmAＥＶ-I－-3mS1－3V４０V-4０CS4868阳'300３80180０JFEＴ,用作低噪声音频和亚音频放大N沟道JＦET,作模拟开关,斩波用N沟道JFET，在（2N４868)山，175-６５ω灿h部ＣＳ43９3冲略这叫"(２N４39３)5-30协"－0.3-－3L<14<3.5４040-402∞30，.U厅通讯ＣＳ１46（3DJ９)1８-7３－9<２.8＜０.9２0202０１∞-55－400MHz以下的商输斗牛+1７5人阻抗电路中作高频放大用.ｖ句冒s守?3COｌ'－2-＂-60.５-320１520100-55句+175-55-15P沟道增强型MOS管碑化综微波低噪声FＥT,用作低噪声CX59１20－120－5>20．１"y＜2.2686５0２01２0+175放大,振荡和混频等①参阅王长桶，路金生主编国内外小功率晶体管实用手册.北京:电子工业出版社.19９３.复习思苦5．1.１５.１.２5.１.３为fｌ么MOＳＦEＴ的输入电阻比ＢJT高？试l画出N沟道,P沟道增强型和耗尽型MOSFET的代表符号.MOSFET有四种类型,它们的输出特性及转移特性各不相同．试总结出判断MOSFET类型及电压极性的规律.