专业课课件末期中部分试题电子电路1第一章20105fet

2023/4/26北京航空航天大学202教研室103问题：1.什么是小信号？问题：2.什么是BJT管的小信号等效模型？2023/4/26北京航空航天大学202教研室104

什么是小信号

根据级数展开理论，当输入信号Vsm<10mV时，使用线性

等效模型分析所产生的误差不超过10％。对于BJT，只要

基－射间信号电压幅度Vbem≤10mV，就可以应用小信号等效

分析法。iBvBEIBVBEQ

小信号等效模型是在小信号条件下，描述BJT极间交流（动态）电压与电流关系的线性电路。复习2023/4/26北京航空航天大学202教研室1051.3.5.2混合π型等效电路及等效参数

小信号等效模型是在小信号条件下，描述BJT极间交流

（动态）电压与电流关系的线性电路。1.vbe对ib的控制作用式中：gm是正向传输跨导，rπ是输出交流短路下的输入电阻2023/4/26北京航空航天大学202教研室1062.vbe对ic的控制作用ic=gmvbegm=α/rere=VT/IE式中：re表示发射结正偏电流为IE时

呈现的动态电阻。3.vce对ic和ib的控制作用rce=1/gcerce表示交流短路下的输出电阻2023/4/26北京航空航天大学202教研室107共射BJT的基本小信号等效电路：2023/4/26北京航空航天大学202教研室108共射BJT的小信号混合π型等效电路Cπ和Cμ是PN结电容，rbb’是基区体电阻。

本等效电路对工作在放大区的NPN和PNP管均适用。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1091.3.6共射BJT的频率参数fβ和fTfβ是共射BJT的截止频率。fT是共射BJT的特征频率。fT≈β0fββ0是共射BJT的低频电流增益。β下降至低频时的0.707倍β下降至12023/4/26北京航空航天大学202教研室110β的幅频特性：在f>>fβ的频率范围内fT≈|β|.ffT是共射BJT应用

的增益带宽积。混

合π型模型在大约1/3fT内适用。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1111.4场效应晶体管（FET）(FieldEffectTransistor)

本节讨论结型场效应管JFET(Junction)和金属－氧化物－半导体构成的绝缘栅场效应管MOSFET。

场效应晶体管（简称场效应管），是半导体材料制成的电子器件。沟道：导电的途径；基本工作原理：通过外加电场对导电沟道的几何形状进行控制，改变沟道电阻的大小；分类：结型场效应管、绝缘栅场效应管和金属场效应管；场效应管是单级型晶体管，管中只有一种载流子运动；2023/4/26北京航空航天大学202教研室1121.4.1JFET的结构、工作原理和特性2023/4/26北京航空航天大学202教研室113N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2023/4/26北京航空航天大学202教研室114NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管JFET符号：DGS2023/4/26北京航空航天大学202教研室115PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管JFET符号：DGS2023/4/26北京航空航天大学202教研室116JFET工作原理（以N沟道为例）：VDS=0V时SVGSGNDVDSNNPPIDPN结反偏，VGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。－＋2023/4/26北京航空航天大学202教研室117GVGSIDVDS=0V时DNNNSVDSPPVGS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N沟道为例）：－＋2023/4/26北京航空航天大学202教研室118UDS=0时GSDVGSNVDSPPIDVGS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N沟道为例）：－＋2023/4/26北京航空航天大学202教研室119VGSDGSVDSNPP越靠近漏端，PN结反压越大。IDVGS<VGS(off)且VDS>0、VGD<VGS(off)时耗尽区的形状。JFET工作原理（以N沟道为例）：沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。－＋2023/4/26北京航空航天大学202教研室120JFET工作原理（以N沟道为例）：VGSVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)时SGDVDSPPIDVDS增大则被夹断区向下延伸。漏端的沟道被夹断，称为预夹断。－＋2023/4/26北京航空航天大学202教研室121GSVGS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。DVDSPPIDVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)时JFET工作原理（以N沟道为例）：－＋2023/4/26北京航空航天大学202教研室122N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2023/4/26北京航空航天大学202教研室1231.4.2.1转移特性曲线夹断电压2023/4/26北京航空航天大学202教研室124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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1251.4.2.2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；2023/4/26北京航空航天大学202教研室1261.可变电阻区DS极间呈现沟道预夹断前

的沟道体电阻，该体电阻

值由vGS控制。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。iD随vDS基本不变，但

受沟道长度调制效应影

响，略呈斜升状。2023/4/26北京航空航天大学202教研室127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：上面两式适用于耗尽型JFET工作在恒流区。2023/4/26北京航空航天大学202教研室128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/V2023/4/26北京航空航天大学202教研室129

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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1301.4.3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2023/4/26北京航空航天大学202教研室131PNNGSDP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：2023/4/26北京航空航天大学202教研室132PNNGSD预埋了导电沟道GSDD型NMOS管结构图：2023/4/26北京航空航天大学202教研室133NPPGSDN型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝E型PMOS管结构图：GSD2023/4/26北京航空航天大学202教研室134NPPGSD预埋了导电沟道D型NMOS管结构图：GSD2023/4/26北京航空航天大学202教研室135MOSFET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）2023/4/26北京航空航天大学202教研室136VGS(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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室137E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2023/4/26北京航空航天大学202教研室1381.4.3.2vDS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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室139E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2023/4/26北京航空航天大学202教研室1401.4.4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>02023/4/26北京航空航天大学202教研室1411.4.4.2E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2023/4/26北京航空航天大学202教研室142

场效应晶体管（简称场效应管）是电压控制器件，通过VGS来控制ID。输入电流为零，输入电阻比较高；基本工作原理：通过外加电场对导电沟道的几何形状进行控制，改变沟道电阻的大小；场效应管是多数载流子导电，噪声小，受辐射影响小，热稳定性好；场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成，故可提高集成度；场效应晶体管的特点：2023/4/26北京航空航天大学202教研室1431.4.5MOSFET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）2023/4/26北京航空航天大学202教研室144vDS很小时（例如vDS<0.1V），可简化为：可见，vGS一定时，

iD和vDS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2023/4/26北京航空航天大学202教研室1452.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）2023/4/26北京航空航天大学202教研室1463.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）式中：λ是沟道调制系数，L=10um左右时，典型值为0.01V-12023/4/26北京航空航天大学202教研室1471.4.5.2E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：2023/4/26北京航空航天大学202教研室1482.恒流区条件：vGS<VGS(th),|vDS|>|vGS-VGS(th)|（式1.4.13）2023/4/26北京航空航天大学202教研室1491.4.5.3D型NMOSFET可变电阻区特性方程：恒流区特性方程：（λ=0）2023/4/26北京航空航天大学202教研室150D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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1511.4.6MOSFET亚阈区的传输特性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2023/4/26北京航空航天大学202教研室152当VBS=0时的亚阈区的特性方程

（式1.4.19）式中：ID0称为特征电流，在W/L=1和各电极对衬底电位为零时的漏极电流。

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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1531.4.7MOSFET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2023/4/26北京航空航天大学202教研室154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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室1551.4.8FET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。2023/4/26北京航空航天大学202教研室156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