場(chǎng)效應(yīng)管放大器(3)課件

1、5.1 5.1 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管1. 特點(diǎn)特點(diǎn):(1)導(dǎo)電能力由電壓控制的半導(dǎo)體器件。(2) 僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱單極型晶體管。(3) 體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，(4) 輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。(5)廣泛用于大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。N溝道溝道P溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)2.場(chǎng)效應(yīng)管分類：場(chǎng)效應(yīng)管分類：N基底基底 ：N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體PP兩邊是兩邊是P區(qū)區(qū)G柵極柵極S源極源極D漏極漏極結(jié)構(gòu)結(jié)

2、構(gòu):導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道PN結(jié)結(jié)5.1.1 5.1.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管: :P 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSN溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGS符號(hào)：二、工作原理（以二、工作原理（以N溝道為例）溝道為例）當(dāng)當(dāng) UDS= 0 V時(shí)：時(shí)：UGS* * 若加入若加入U(xiǎn) UGSGS 0,PN 0,PN結(jié)反偏，結(jié)反偏，耗盡層變厚耗盡層變厚* * 若若U UGSGS = 0, = 0,溝道較寬，溝道電阻小溝道較寬，溝道電阻小溝道變窄，溝道電阻增大溝道變窄，溝道電阻增大* * 若若U UGS GS = V= VP P （夾斷電壓）時(shí)（夾斷電壓）時(shí)溝道溝道夾斷夾斷，溝道電阻很大，溝道電阻很

3、大|UGS|越大越大,則耗盡區(qū)越則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。寬，導(dǎo)電溝道越窄。但當(dāng)?shù)?dāng)|UGS|較小時(shí)，耗盡區(qū)寬較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。間相當(dāng)于線性電阻。溝道溝道夾斷夾斷時(shí)（時(shí)（夾斷電壓夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾間被夾斷，這時(shí)，即使斷，這時(shí)，即使UDS 0V，漏極電流漏極電流ID=0A。加入加入U(xiǎn) UGSGS使使溝道溝道變窄，該類型效應(yīng)管稱為耗盡型變窄，該類型效應(yīng)管稱為耗盡型漏源電壓漏源電壓V VDSDS對(duì)對(duì)i iD D的影響的影響 當(dāng)當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷區(qū)向繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷區(qū)向源極方向伸長(zhǎng)源極方

4、向伸長(zhǎng)。* * 在柵源間加電壓在柵源間加電壓V VGSGS，漏源間加電壓，漏源間加電壓V VDSDS。由于由于漏源間有一電位梯度漏源間有一電位梯度V VDSDS上端（漏端）上端（漏端）VGD=VGS- -VDS 即即 |VGD|=|VGS|+|VDS|下端（源端）下端（源端）VGD=VGS使溝道呈楔形使溝道呈楔形耗盡層上下量端受的反偏電壓不同耗盡層上下量端受的反偏電壓不同溝道夾斷前，溝道夾斷前，iD 與與 vDS 近似呈近似呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。 當(dāng)當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VGS-VDS =VP 時(shí)，時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。 隨隨VDS增大，這種不均勻性

5、越明顯。增大，這種不均勻性越明顯。電阻電阻增增大，使大，使VDS增加不能使漏極也增大，增加不能使漏極也增大，漏極電流漏極電流 iD 趨于飽和趨于飽和。4.1.2 4.1.2 伏安特性曲線及參數(shù)伏安特性曲線及參數(shù)特點(diǎn)特點(diǎn): : (1)(1)當(dāng)當(dāng)vGS 為定值時(shí)為定值時(shí), 管管子的漏源間呈線性電阻，且其子的漏源間呈線性電阻，且其阻值受阻值受 vGS 控制控制 ，（，（ iD 是是 vDS 的線性函數(shù)）。的線性函數(shù)）。 （2）管壓降管壓降vDS 很小。很小。用途：用途：做做壓控線性電阻壓控線性電阻和無觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的和無觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)電子開關(guān)。條件：條件： 源端與漏端溝道都不夾斷源端與

6、漏端溝道都不夾斷VVPGSVVVPGSDS（1）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū)1、輸出特性曲線：、輸出特性曲線：C CV VD DS SD DG GS S) )( (V Vf fi i（動(dòng)畫2-6）用途用途: 可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。（2 2）恒流區(qū)）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)）VVPGSVVVPGSDS條件條件: (1)源端溝道未夾斷源端溝道未夾斷(2)漏端溝道予夾斷漏端溝道予夾斷21VvIiPGSDSSD (2) 恒流性：恒流性：輸出電流輸出電流 iD 基基本上不受輸出電壓本上不受輸出電壓 vDS 的影響。的影響。特點(diǎn)特點(diǎn): (1) 受控性：受控性： 輸入電

7、壓輸入電壓 vGS 控制輸出電流控制輸出電流為飽和漏極電流IDSS（3）夾斷區(qū)：）夾斷區(qū)： 用途：用途：做無觸點(diǎn)的、做無觸點(diǎn)的、接通狀態(tài)的接通狀態(tài)的電子開關(guān)電子開關(guān)。條件：條件：整個(gè)溝道都夾斷整個(gè)溝道都夾斷 VVPGS（4）擊穿區(qū)）擊穿區(qū)VVDSBRDS)( 當(dāng)漏源電壓增大到當(dāng)漏源電壓增大到 時(shí)，漏端時(shí)，漏端PN結(jié)結(jié)發(fā)生發(fā)生雪崩擊穿雪崩擊穿，使，使iD 劇增劇增的區(qū)域。其值一般為的區(qū)域。其值一般為（20 50）V之間之間。由于。由于VGD=VGS- -VDS, 故故vGS越負(fù)越負(fù)，對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的VP就越小。管子就越小。管子不能在擊穿區(qū)工作不能在擊穿區(qū)工作。0iD特點(diǎn)：特點(diǎn)：2、轉(zhuǎn)移特性曲線、轉(zhuǎn)移

8、特性曲線CVGSDDSVfi)(輸入電壓VGS對(duì)輸出漏極電流ID的控制msgdvdivimQGSDQGSD/結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性小結(jié)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型5.1 5.1 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管( Metal Oxide Semiconductor ) MOSFET N溝道 P溝道 增強(qiáng)型N溝道 P溝道 耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型 (N溝道溝道、P溝道溝道), VGS=0 時(shí)無導(dǎo)電溝道，時(shí)無導(dǎo)電溝道，iD=0耗盡型耗盡型 (N溝道溝道、P溝道溝道)，VGS=0 時(shí)已有導(dǎo)電溝道。時(shí)已有導(dǎo)電溝道。 類型及其符號(hào)

9、類型及其符號(hào):5.1.1 N溝道溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管NMOSNMOS漏極漏極D金屬電極金屬電極柵極柵極G源極源極SSiO2絕緣層絕緣層P P型硅襯底型硅襯底 高摻雜高摻雜N區(qū)區(qū) 金屬金屬 柵極和其它柵極和其它電極及硅片之間是絕電極及硅片之間是絕緣的，稱緣的，稱絕緣柵型場(chǎng)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管效應(yīng)管。 由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)可達(dá)1014 。 絕緣層目前常用絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金二氧化硅，故又稱金屬屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場(chǎng)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOSMOS場(chǎng)場(chǎng)效

10、應(yīng)管效應(yīng)管。2 2、N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理的工作原理（1）. 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用 當(dāng)當(dāng)VGS=0V時(shí)時(shí)，因?yàn)槁┰粗g，因?yàn)槁┰粗g被兩個(gè)背靠背的被兩個(gè)背靠背的 PN結(jié)隔離，因結(jié)隔離，因此，即使在此，即使在D、S之間加上電壓之間加上電壓, 在在D、S間也不可能形成電流。間也不可能形成電流。 當(dāng)當(dāng) 0VGSVT (開啟電壓開啟電壓)時(shí)時(shí)， 通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表型襯底表層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)N區(qū)和襯底中的自由電區(qū)和襯底中的自由電子吸

11、向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)果在襯底表面子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。N N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理的工作原理的的N型溝道。把型溝道。把開始形成開始形成反型層的反型層的VGS值值稱為該管的稱為該管的開開啟電壓?jiǎn)㈦妷篤T。這時(shí)，若在漏源間加電壓。這時(shí)，若在漏源間加電壓 VDS，就能產(chǎn)生漏，就能產(chǎn)生漏極電流極電流 I D，即管子開啟。即管子開啟。 VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子值越大，溝道內(nèi)自由

12、電子越多，溝道電阻越小，在同樣越多，溝道電阻越小，在同樣 VDS 電壓作用下，電壓作用下， I D 越越大。這樣，大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓 VGS 對(duì)輸出電流對(duì)輸出電流 I D 的控的控制制。 當(dāng)當(dāng)VGSVT時(shí)，時(shí)，襯底中的電子襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型型襯底表層，使襯底表層中的自襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱為型半導(dǎo)體，稱為反型層反型層。形成形成N源區(qū)到源區(qū)到N漏區(qū)漏區(qū)VDSI D2 .2 .漏源電壓漏源電壓VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響A當(dāng)當(dāng)

13、V VGSGSV VT T且固定為某值的情況下：且固定為某值的情況下：加正電壓加正電壓V VDSDS，則形成漏極電流則形成漏極電流I ID D當(dāng)當(dāng)I ID D從從D D S S流過溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生流過溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長(zhǎng)度上柵極與壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長(zhǎng)度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻溝道間的電壓分布不均勻。S S端電壓最大端電壓最大( (為為VGS )，感生的溝道最，感生的溝道最寬；寬；D D端電壓最小端電壓最?。椋閂GD=VGS-VDS）感生）感生的溝道窄；的溝道窄；溝道呈錐形分布。溝道呈錐形分布。當(dāng)當(dāng)V VGDGD=V=VT T，即即V VGSGS- -V V

14、DSDS= =V VT T時(shí)，則漏端溝道消時(shí)，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。 當(dāng)當(dāng)V VDSDS為為0 0或較或較小時(shí)小時(shí)，V VGDGDV VT T，此時(shí)此時(shí)V VDSDS 基本均基本均勻降落在溝道中，勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。溝道呈斜線分布。 當(dāng)當(dāng)V VDSDS增加增加到使到使V VGDGD= =V VT T時(shí)，時(shí)，預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。 當(dāng)當(dāng)V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD V VT T時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。端延伸成小的夾斷區(qū)。電阻增大，電阻增大，V VDSDS增加的增加的部分基本上降落在該部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，夾斷區(qū)

15、內(nèi)，I ID D基本不基本不隨隨V VDSDS增加而變化。增加而變化。MOSFET的特性曲線特性曲線VVVTGSDS1.1.漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線V-I特性表達(dá)式不做要求2.2.轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 V VGSGS對(duì)對(duì)I ID D的控制特性的控制特性 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率 gm 的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 其量綱為mA/V，稱gm為跨導(dǎo)。 ID=f(VGS)VDS=常數(shù) gm=ID/VGSQ （mS) 增強(qiáng)型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型耗盡型MOSFET N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制

16、造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。 因此，使用時(shí)無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會(huì)有漏極電流。當(dāng)VGS0 時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時(shí)，隨著VGS 的減小ID 逐漸減小，直至 ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0 的 VGS 值為夾斷電壓 VP 。耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)一、一、 場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)1. 開啟電壓VT開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值, 場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。 2. 夾斷電壓VP 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=V

17、P時(shí),漏極 電流為零。 3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管, 當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。4. 輸入電阻輸入電阻RGS 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管, RGS約是1091015。 5. 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用， gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS (毫西門子)。 6.最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。絕緣柵增強(qiáng)型N溝P溝絕緣柵耗盡型 N溝道P 溝道20020 mA/V51m g421010 1471010 對(duì)應(yīng)電極對(duì)應(yīng)電極 BEC GSDGSDGS

18、DN溝道溝道GSDGSDP溝道溝道4.4 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.4.1 4.4.1 直流偏置電路及靜態(tài)分析直流偏置電路及靜態(tài)分析1、直流偏置電路直流偏置電路建立適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。建立適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。(1) 自偏壓電路自偏壓電路: 僅適用于耗盡型僅適用于耗盡型場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管，管，V VGSGS=0 =0 時(shí)，溝道已存時(shí)，溝道已存在。加在。加V VDDDD后后, V, VS S=I=ID D R R 。可建立偏壓：可建立偏壓：R RI IV VD DG GS S上式稱為偏壓公式上式稱為偏壓公式 及及 VDS= VDDID(R+Rd ) 聯(lián)立可以解出聯(lián)立可以解出VGS、ID和和VDS。(2) 分壓式偏壓電路直流通道直流通道由：由：VG =VDD Rg2 / (Rg1+Rg2)及及 VS = IDRVGS= VGVS= VGIDR可得可得 偏壓公式偏壓公式 ：2、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定：、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定：ID= IDSS1(VGS /VP)2由公式：由公式：偏壓公式：偏壓公式： V VGS GS = -I= -ID D R R 或：或：VGS= VGVS= VGIDRDSDSDGSGSDDuuiuuii4.4.2 小信號(hào)模型分析法低低頻頻模模型型