專業(yè)課課件末期中部分試題電子電路1第一章

2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室103問題：1.什么是小信號？問題：2.什么是BJT管的小信號等效模型？2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室104

什么是小信號

根據(jù)級數(shù)展開理論，當(dāng)輸入信號Vsm<10mV時，使用線性

等效模型分析所產(chǎn)生的誤差不超過10％。對于BJT，只要

基－射間信號電壓幅度Vbem≤10mV，就可以應(yīng)用小信號等效

分析法。iBvBEIBVBEQ

小信號等效模型是在小信號條件下，描述BJT極間交流（動態(tài)）電壓與電流關(guān)系的線性電路。復(fù)習(xí)2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1051.3.5.2混合π型等效電路及等效參數(shù)

小信號等效模型是在小信號條件下，描述BJT極間交流

（動態(tài)）電壓與電流關(guān)系的線性電路。1.vbe對ib的控制作用式中：gm是正向傳輸跨導(dǎo)，rπ是輸出交流短路下的輸入電阻2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1062.vbe對ic的控制作用ic=gmvbegm=α/rere=VT/IE式中：re表示發(fā)射結(jié)正偏電流為IE時

呈現(xiàn)的動態(tài)電阻。3.vce對ic和ib的控制作用rce=1/gcerce表示交流短路下的輸出電阻2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室107共射BJT的基本小信號等效電路：2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室108共射BJT的小信號混合π型等效電路Cπ和Cμ是PN結(jié)電容，rbb’是基區(qū)體電阻。

本等效電路對工作在放大區(qū)的NPN和PNP管均適用。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1091.3.6共射BJT的頻率參數(shù)fβ和fTfβ是共射BJT的截止頻率。fT是共射BJT的特征頻率。fT≈β0fββ0是共射BJT的低頻電流增益。β下降至低頻時的0.707倍β下降至12023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室110β的幅頻特性：在f>>fβ的頻率范圍內(nèi)fT≈|β|.ffT是共射BJT應(yīng)用

的增益帶寬積?；?/p>

合π型模型在大約1/3fT內(nèi)適用。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1111.4場效應(yīng)晶體管（FET）(FieldEffectTransistor)

本節(jié)討論結(jié)型場效應(yīng)管JFET(Junction)和金屬－氧化物－半導(dǎo)體構(gòu)成的絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET。

場效應(yīng)晶體管（簡稱場效應(yīng)管），是半導(dǎo)體材料制成的電子器件。溝道：導(dǎo)電的途徑；基本工作原理：通過外加電場對導(dǎo)電溝道的幾何形狀進(jìn)行控制，改變溝道電阻的大??；分類：結(jié)型場效應(yīng)管、絕緣柵場效應(yīng)管和金屬場效應(yīng)管；場效應(yīng)管是單級型晶體管，管中只有一種載流子運(yùn)動；2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1121.4.1JFET的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室113N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S(源極)D(漏極)JFET結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電溝道2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室114NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管JFET符號：DGS2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室115PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管JFET符號：DGS2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室116JFET工作原理（以N溝道為例）：VDS=0V時SVGSGNDVDSNNPPIDPN結(jié)反偏，VGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。－＋2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室117GVGSIDVDS=0V時DNNNSVDSPPVGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。但當(dāng)VGS較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。JFET工作原理（以N溝道為例）：－＋2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室118UDS=0時GSDVGSNVDSPPIDVGS達(dá)到一定值時（夾斷電壓VGS(off)）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使VDS0V，漏極電流ID=0A。JFET工作原理（以N溝道為例）：－＋2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室119VGSDGSVDSNPP越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大。IDVGS<VGS(off)且VDS>0、VGD<VGS(off)時耗盡區(qū)的形狀。JFET工作原理（以N溝道為例）：溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。－＋2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室120JFET工作原理（以N溝道為例）：VGSVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)時SGDVDSPPIDVDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。漏端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。－＋2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室121GSVGS此時，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，VDS變化時，未夾斷區(qū)的長度有少量變化，但兩端的電壓不變，電場強(qiáng)度變化不大，因此ID基本不隨VDS的增加而增加，呈恒流特性。DVDSPPIDVGS<VGS(off)VGD=VGS(off)時JFET工作原理（以N溝道為例）：－＋2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室122N溝道JFET在vGS=0時的輸出特性曲線：電阻區(qū)溝道預(yù)夾斷恒流區(qū)擊穿區(qū)2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1231.4.2.1轉(zhuǎn)移特性曲線夾斷電壓2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室124轉(zhuǎn)移特性描述的是：vDS一定時，vGS對iD的控制特性。轉(zhuǎn)移特性方程（不考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)）：式中：IDSS

表示飽和漏極電流。是vGS=0，vDS=|VGS(off)|

時的漏極電流。

VGS(off)表示夾斷電壓。是溝道夾斷所需的VGS值。結(jié)論：iD和vGS成平方律關(guān)系，與BJT的輸出特性不同。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1251.4.2.2輸出特性曲線四個區(qū)：I區(qū)－可變電阻區(qū)；

II區(qū)－放大區(qū)（恒流區(qū)）；

III區(qū)－截止區(qū)；

IV區(qū)－擊穿區(qū)；2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1261.可變電阻區(qū)DS極間呈現(xiàn)溝道預(yù)夾斷前

的溝道體電阻，該體電阻

值由vGS控制。2.放大區(qū)（恒流區(qū)）和JFET的大信號特征方程輸出特性曲線上接近平直但稍微斜升的區(qū)域。iD隨vDS基本不變，但

受溝道長度調(diào)制效應(yīng)影

響，略呈斜升狀。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室127考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)以后的JFET大信號特性方程：N溝道JFET：P溝道JFET：上面兩式適用于耗盡型JFET工作在恒流區(qū)。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室128關(guān)于λ的解釋：JFET的各輸出特性曲線

（與BJT類似）也可向外

延伸，共vDS軸交于一點(diǎn)

該點(diǎn)電壓記做1/λ。

對N溝道JFET，1/λ在

iD－vDS橫坐標(biāo)負(fù)軸上。

對P溝道JFET，1/λ在

iD－vDS橫坐標(biāo)正軸上。

λ的典型值為:10－2/V2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室129

結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管（MOSFET）可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1301.4.3增強(qiáng)型N溝道MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線MOSFET，是由金屬（M），氧化物（O），半導(dǎo)體（S）

構(gòu)成場效應(yīng)管（FET），故命名為：MOSFET。

MOSFET按照導(dǎo)電溝道的載流子類型可分為N（電子型）

溝道MOSFET（簡稱NMOS管）和P（空穴型）溝道MOSFET

（簡稱PMOS管）；按照導(dǎo)電溝道形成機(jī)理，NMOS管和PMOS

管有各有增強(qiáng)型（簡稱E型）和耗盡型（簡稱D型）兩種。因此，就有四種類型的MOSFET，分別叫做：

①E型NMOS管

②D型NMOS管

③E型PMOS管

④D型PMOS管2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室131PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDE型NMOS管結(jié)構(gòu)圖：2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室132PNNGSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道GSDD型NMOS管結(jié)構(gòu)圖：2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室133NPPGSDN型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁E型PMOS管結(jié)構(gòu)圖：GSD2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室134NPPGSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道D型NMOS管結(jié)構(gòu)圖：GSD2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室135MOSFET的工作原理：1.4.3.1vGS的控制作用自由電子受正電荷吸引向上運(yùn)動

復(fù)合掉P型半導(dǎo)體中的空穴，形成空間電荷區(qū)vGS增大超過VGS(th)后自由電子的濃度大于空穴濃度，形成N型層（反型層）2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室136VGS(th)是增強(qiáng)型MOSFET開始形成反型層所需的vGS值，

稱為開啟電壓。對E型NMOS管，VGS(th)為正值，對E型

PMOS管，VGS(th)為負(fù)值。

反型層出現(xiàn)后，SD極間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，vGS越大，導(dǎo)電溝

道越厚，載流子濃度越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溝道電阻越小。

在滿足vDS>(vGS-VGS(th))，且vDS為定值的條件下，vGS通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道電阻值控制iD的值，就是轉(zhuǎn)移特性。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室137E型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線：PNNGSDUDSUGSvGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，電阻越小，iD越大2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1381.4.3.2vDS的控制作用vDS使溝道內(nèi)產(chǎn)生電位梯度從而使溝道的厚度不均勻。條件：vGS>VGS(th)vDS增加到vGS－VGS(th)時，近D端反型層消失，稱為預(yù)夾斷。繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)向S極延伸，夾斷點(diǎn)和S極的電壓不變。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室139E型NMOS管的輸出特性曲線：I區(qū)－可變電阻區(qū)

II區(qū)－恒流區(qū)（放大區(qū)）

III區(qū)－截止區(qū)IV區(qū)－擊穿區(qū)保持vGS為不同固定值時得到iD隨vDS變化的一族曲線2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1401.4.4耗盡型NMOS管和增強(qiáng)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

管結(jié)構(gòu)基本相

同，區(qū)別僅在

于導(dǎo)電溝道事

先存在，在

vGS=0的時候，

iD也不等于0。

當(dāng)vGS=VGS(off)

時，導(dǎo)電溝道

消失，iD=0。vGS=0時iD>02023/2/12北京航空航天大學(xué)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電壓極性相

反，iD方向也相反。輸出

特性曲線的形狀相似輸出特性曲線處于第三象限2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室142

場效應(yīng)晶體管（簡稱場效應(yīng)管）是電壓控制器件，通過VGS來控制ID。輸入電流為零，輸入電阻比較高；基本工作原理：通過外加電場對導(dǎo)電溝道的幾何形狀進(jìn)行控制，改變溝道電阻的大小；場效應(yīng)管是多數(shù)載流子導(dǎo)電，噪聲小，受輻射影響小，熱穩(wěn)定性好；場效應(yīng)管的制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成，故可提高集成度；場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)：2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1431.4.5MOSFET的大信號特性方程1.4.5.1E型NMOSFET1.可變電阻區(qū)條件：vGS>VGS(th),vDS<(vGS-VGS(th))電流方程：式中：βn是管子的增益系數(shù)，單位為mA/V2式中：μn是NMOS管溝道中電子的遷移率；Cox是

氧化層單位面積電容量；W/L是溝道寬度與長度之比（式1.4.4）2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室144vDS很小時（例如vDS<0.1V），可簡化為：可見，vGS一定時，

iD和vDS成線性關(guān)系。這些特性曲線都近似為直線，直線的斜率由vGS控制2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1452.臨界恒流區(qū)條件：vGS>VGS(th),vDS=(vGS-VGS(th))以vDS=(vGS-VGS(th))代入式1.4.4后，得：可見iD和vGS成平方率關(guān)系。（式1.4.7）2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1463.恒流區(qū)條件：vGS>VGS(th),vDS>(vGS-VGS(th))iD隨vDS增加而稍有斜升，式1.4.7可改寫成：（式1.4.8）式中：λ是溝道調(diào)制系數(shù)，L=10um左右時，典型值為0.01V-12023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1471.4.5.2E型PMOSFET1.可變電阻區(qū)條件：vGS<VGS(th),|vDS|<|vGS-VGS(th)|電流方程：式中：μp是PMOS管溝道中空穴的遷移率；Cox是

氧化層單位面積電容量；W/L是溝道寬度與長度之比（式1.4.9）（式1.4.10）|vDS|很小時：2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1482.恒流區(qū)條件：vGS<VGS(th),|vDS|>|vGS-VGS(th)|（式1.4.13）2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1491.4.5.3D型NMOSFET可變電阻區(qū)特性方程：恒流區(qū)特性方程：（λ=0）2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室150D型NMOS管飽和漏極電流IDSS為：

和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它們特性的重要

參數(shù)。JFET和D型NMOS管都是耗盡型，故用相同的符號

VGS(off)表示夾斷電壓。增強(qiáng)型管用VGS(th)表示開啟電壓。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1511.4.6MOSFET亞閾區(qū)的傳輸特性MOS管存在弱反型層，對NMOS管，在vGS<VGS(th)時，

就已有漏極電流iD。這種現(xiàn)象稱為亞閾區(qū)導(dǎo)電效應(yīng)。對數(shù)坐標(biāo)2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室152當(dāng)VBS=0時的亞閾區(qū)的特性方程

（式1.4.19）式中：ID0稱為特征電流，在W/L=1和各電極對襯底電位為零時的漏極電流。

n是與襯底調(diào)制有關(guān)的因子。約為1.5～3。亞閾區(qū)的跨導(dǎo)gmsub：BJT的跨導(dǎo)gm：可見，MOS管在亞閾區(qū)的放大能力接近于BJT。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1531.4.7MOSFET的體效應(yīng)和背柵控制特性

在vBS≠0的情況下，vBS對導(dǎo)電溝道也有一定的控制能力，

這種現(xiàn)象稱為體效應(yīng)或襯底調(diào)制效應(yīng)。vBS通過改變VGS(th)的值改變

iD的值，因而vBS對iD有控制作

用，B極又稱為背柵。背柵2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室154對背柵的控制能力通常用跨導(dǎo)比η來表示：式中：gmb表示背柵跨導(dǎo)；gm表示轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。背柵控制特性表明了MOS管的四極管作用。η<<1

背柵對iD的控制作用比柵極弱得多。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室1551.4.8FET的小信號模型1.4.8.1JFET的小信號模型小信號條件：Vgsm≤0.1VGS(off)式中：gm是JFET在小信號下工作在放大區(qū)時的正向傳輸跨導(dǎo)。

rds是JFET在放大區(qū)的小信號輸出電阻。2023/2/12北京航空航天大學(xué)202教研室156式中：gm0是VGS=0時的跨導(dǎo)?？梢姡琯m是IDSS、VGS(off)和靜態(tài)工作電流ID決定的。若：ID=1mA，設(shè)λ=0.01V－1

則