場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

1、第五章第五章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)體器件，是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道溝道器件和空穴作為載流子的P溝道溝道器件。場(chǎng)效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道 MOS型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管）場(chǎng)效應(yīng)管金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET( Metal OxideMOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)Semiconductor FET) 又稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，絕

2、緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，它是一種利用半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109。增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道， 在VDS作用下無(wú)iD。耗盡型：VGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道， 在VDS作用下iD。1. 1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)構(gòu)和符號(hào) N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S,在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個(gè)電極作為GD(Drain): 漏極，漏極， 相當(dāng)相當(dāng)c G(Gate): 柵極，柵極，

3、 相當(dāng)相當(dāng)b S(Source): 源極，相當(dāng)源極，相當(dāng)eB(Substrate):襯底襯底5.1.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理工作原理 V VGSGS=0=0時(shí)時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道，無(wú)導(dǎo)電溝道 漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。 VGS =0， ID =0 VGS必須大于必須大于0 管子才能工作。管子才能工作。（1）柵源電壓）柵源電壓VGS的控制作用的控制作用 （b） 0VGS VT （ VT 稱為開(kāi)稱為開(kāi) 啟電壓?jiǎn)㈦妷? 在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，排斥P區(qū)多子空穴而吸

4、引少子電子。 但由于電場(chǎng)強(qiáng)度有限，吸引到絕緣層的少子電子數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。0VGSVT ， ID=0(c) VGSVT時(shí)時(shí)此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成N溝道。如果此時(shí)VDS0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，ID增加。這種在VGS =0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，依靠柵源電壓的作用而形成感生溝道的FET稱為增強(qiáng)型增強(qiáng)型FETVGS 0g吸引電子吸引電子反型層反型層導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道VGS 反型

5、層變厚反型層變厚 VDS ID （2 2）漏源電壓）漏源電壓V VDSDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流I ID D的控制作用的控制作用（a a）如果）如果V VGSGSV VT T且固定為某一值，且固定為某一值， V VGDGD= =V VGSGSV VDSDS V VDSDS為為0 0或較小時(shí)，或較小時(shí)， VGD=VGSVDS VT，溝道分布如 圖，此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時(shí)，ID隨VDS增大。VDS ID （b）當(dāng)）當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VT時(shí)時(shí)溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱為預(yù)夾斷。（2）漏源電壓）

6、漏源電壓VDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的控制作用的控制作用（2 2）漏源電壓）漏源電壓V VDSDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流I ID D的控制作用的控制作用VDS ID 不變不變（c）當(dāng)VDS增加到VGDVT時(shí)溝道如圖所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，向S極延伸。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變3.輸出特性曲線輸出特性曲線 vDS /V iD(1) (1) 截止區(qū)（夾斷區(qū)）截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS |VP |時(shí)的漏 極電流。（耗盡）4、極間電容 ：漏源電容CDS約為 0.11pF，柵源電容CGS和柵 漏極電容CGD約為13pF。一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)

7、效應(yīng)管的主要參數(shù)GSDSdsDSvdvrdi常數(shù) 2、 低頻互導(dǎo) gm ：表示vGS對(duì)iD的控制作用。DSGSDmVvdidg =在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm 是曲線在某點(diǎn)上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為 S 或 mS。二、交流參數(shù)二、交流參數(shù)1、輸出電阻不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)為0考慮時(shí)為1GSDSdsDSDvdvrdii常數(shù)1、 最大漏極電流 IDM 2、 最大漏極耗散功率 PDM 3、 最大漏源電壓 V(BR)DS 最大柵源電壓 V(BR)GS 2() 2()DSDSnGSTDmnGSTGSGSvvKvVdigKvVdvvmg2()DnGSTiKvV由V-I特性估算 2DOnTIK

8、V22mn DDO DTgK iIiV因?yàn)閯t三、極限參數(shù)三、極限參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào) 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào), 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。幾種常用的場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見(jiàn)表 參 數(shù) 型號(hào) PDM mW IDSS mA VRDS V

9、VRGS V VP V gm mA/ V fM MHz 3DJ2D 100 20 20 -4 2 300 3DJ7E 100 20 20 -4 3 90 3DJ15H 100 611 20 20 -5.5 8 3DO2E 100 0.351.2 12 25 1000 CS11C 100 0.31 -25 -4 2 5.2 MOSFET放大電路放大電路5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2. 圖解分析圖解分析3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析5.2.1 簡(jiǎn)單共源極放大電路的直流分析簡(jiǎn)單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDRdRg1R

10、g2idCb2v0viCb2步驟步驟直流通路直流通路VGIDVS5.2 MOSFET放大電路放大電路1 假設(shè)假設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有管工作于飽和區(qū)，則有 VGSQVT，IDQ0，VDSQVGSQ-VT2 利用飽和區(qū)的利用飽和區(qū)的V-I曲線分析電路：曲線分析電路：2()DnGSTIK VV3 如果出現(xiàn)如果出現(xiàn)VGSVT，則，則MOS管可能截至，如果管可能截至，如果 VDSVGS-VT，則說(shuō)明，則說(shuō)明NMOS確工作于飽確工作于飽和區(qū)；若和區(qū)；若VDS (VGS-VT)=2-1=1V說(shuō)明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。說(shuō)明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。28gdsBVDDRdRg1Rg

11、2idCb2v0viCb2靜態(tài)值：靜態(tài)值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信號(hào)電壓波形：外加信號(hào)電壓波形：tvi因?yàn)椋阂驗(yàn)椋簐GS=VGSQ+vi所以所以vGS的波形為的波形為：iD=IDQ+gmvitvGSVGSQVGSQ1VGSQ20tiD IDQ IDQ1 IDQ20負(fù)載線方程：負(fù)載線方程：iD=- +VDDvDSRdRd是一條過(guò)是一條過(guò)(VDD,0)和和(0,VDD/RD)的直線的直線5.2.3 NMOS共源極放大電路的圖解分析共源極放大電路的圖解分析5.2 MOSFET放大電路放大電路29vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDStt

12、VDSQ5.2.3 NMOS共源極放大電路的圖解分析共源極放大電路的圖解分析5.2 MOSFET放大電路放大電路301.NMOS管的管的小小信號(hào)模型信號(hào)模型雙端口雙端口 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid工作在飽和區(qū)的工作在飽和區(qū)的漏極電流漏極電流iD:2DnGSTiKvV22nGSQgsTnGSQTgsKVvVKVVv222gsnGSQTnGSQTgsnKVVKVVvK vIDQidgmvgs諧波分量越小越諧波分量越小越好，一般取為好，一般取為0。ig0,輸入端相當(dāng)于開(kāi)路；輸入端相當(dāng)于開(kāi)路；idgmvgs，輸出回路等效成一個(gè)電壓控制電流源。，輸出回路等效成一個(gè)電壓控制電流源。gm=2Kn(VG

13、SQ-VT)5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路31場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：),(=DSGSDvvfiDSVDSDGSVGSDDdvvidvvidiGSDS求全微分求全微分:dsVDSDrviGS1漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無(wú)窮大性曲線斜率的倒數(shù)，為無(wú)窮大mVGSDgviDS其中：其中：為低頻跨導(dǎo)為低頻跨導(dǎo),是轉(zhuǎn)移特性曲線是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點(diǎn)的斜率點(diǎn)的斜率5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOS

14、FET放大電路放大電路雙端口雙端口 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsidDSdsGSmDdvrdvgdi11dmgsdsdsig vvr變化量變化量由該式可得到場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路由該式可得到場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路1.NMOS管的管的小小信號(hào)模型信號(hào)模型32漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無(wú)窮大性曲線斜率的倒數(shù)，為無(wú)窮大為低頻跨導(dǎo)為低頻跨導(dǎo),是轉(zhuǎn)移特性曲線是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點(diǎn)的斜率點(diǎn)的斜率5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路雙端口雙端口 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsidg

15、sgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因因rds很大，可忽略，很大，可忽略，得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型:可得到場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路可得到場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路1dmgsdsdsig vvr1.NMOS管的管的小小信號(hào)模型信號(hào)模型335.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路2. 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2 首先將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路：小信號(hào)模型：小信號(hào)模型：rdsgsdgm

16、vgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd345.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路2. 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路 首先將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路：小信號(hào)模型：小信號(hào)模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)0(/)mgsdsdvigsmdg vrRvAvvg R (2)輸入電阻輸入電阻 Ri=Rg1/Rg2(3)輸出電阻輸出電阻 R0=Rd35gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2

17、R 首先將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路： 小信號(hào)模型：小信號(hào)模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路2. 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)01mgsdvigsmgsmdmg v RvAvvg v Rg Rg R (2)輸入電阻輸入電阻 Ri=Rg1/Rg2(3)輸出電阻輸出電阻R0=Rd36gdsBVDDRdRg1Rg2idviCb2Cb2v0Cb2v0R 首先將電容、電

18、源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路： 小信號(hào)模型：小信號(hào)模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)0(/ )(/ )m gsdsvigsm gsdsg vrRvAvvg vrR取取rds為無(wú)窮時(shí)：為無(wú)窮時(shí)：(/ )1(/ )mdsmdsgrRgrR1mmg Rg R(2)輸入電阻輸入電阻Ri=Rg1/Rg2(3)輸出電阻輸出電阻R0=R/rds/gm1推推 導(dǎo)導(dǎo)5.2.5 NMOS共漏極放大電路的小信號(hào)模型共漏極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路37dg

19、vgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻輸出電阻R0的計(jì)算：的計(jì)算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR +ir -gmvgsTTTmTdsvvig vRr11/11TdsTmmdsvRriggRr5.2.5 NMOS共漏極放大電路的小信號(hào)模型共漏極放大電路的小信號(hào)模型5.2 MOSFET放大電路放大電路38例例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計(jì)算計(jì)算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解解.21240526040gGSQDDggRVVVRR 若管子工作在飽和區(qū)，則若管子工

20、作在飽和區(qū)，則2()DQnGSTIKVV=0.2(2-1)2=0.2mA(50.2 15)2DSQDDDdVVI RV可見(jiàn)可見(jiàn):2 11DSQGSQTVVVV 說(shuō)明管子工作在飽和區(qū)說(shuō)明管子工作在飽和區(qū).39(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT) =20.2 (2-1)=0.4mS150.432vmLAg R (2)輸入電阻輸入電阻Ri=Rg1/Rg2=60/40=24K(3)輸出電阻輸出電阻R0=Rd=15K+-vi例例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計(jì)算計(jì)算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解解

21、.40模型模型5. 3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Junction type Field Effect Transister) 5.3.1 5.3.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來(lái)控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結(jié)正偏箭頭方向表示柵結(jié)正偏或正偏時(shí)柵極電流方向?；蛘珪r(shí)柵極電流方向。5.3.2 5.3.2 工作原理工作原理ID（1）VGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響：VP(V

22、GS(OFF) )：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結(jié)，RGS107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏的條件下。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：(c) |VGS | = VP ，導(dǎo)電溝道被全夾斷(b) 0 VGS 0 但|VGS-VDS| |VP |時(shí)的漏極電流2 )-1 (PGSDSSDVvIi 當(dāng)|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流區(qū)，vDS對(duì)iD的影響很小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)|vGS - vDS | | VP |

23、時(shí)，iD可近似表示為：輸出特性曲線CVDSDGSVfi)(恒流恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點(diǎn):(1)受控性： 輸入電壓vGS控制輸出電流21VvIiPGSDSSD(2)恒流性：輸出電流iD 基本上不受輸出電壓vDS的影響。用途:可做放大器和恒流源。條件:(1)源端溝道未夾斷 (2)源端溝道予夾斷 VVPGSVVVPGSDS可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)特點(diǎn)特點(diǎn): :(1)(1)當(dāng)vGS 為定值時(shí),iD 是 vDS 的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受 vGS 控制。 （2）管壓降vDS 很小。用途：用途：做壓控線性電阻和無(wú)觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開(kāi)關(guān)。條件：源端與漏端溝道都不夾斷 VVPGSVVVPGSDS夾斷區(qū)夾斷區(qū) 用途：做無(wú)觸點(diǎn)的、接通狀態(tài) 的電子開(kāi)關(guān)。條件：整個(gè)溝道都夾斷 VVPGS0iD特點(diǎn)：轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線CV