模擬電子技術(shù) 第5章

1、第五章 場效應(yīng)管放大器主要內(nèi)容場效應(yīng)管的分類金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）場效應(yīng)管的基本概念與BJT對照 場效應(yīng)晶體管(FET)是一種利用電場控制電流的半導(dǎo)體器件， BJT為電流控制電流的半導(dǎo)體器件； FET有3個電極：柵極(g)、源極(s)與漏極(d)，分別對應(yīng)BJT的 基極(b)、發(fā)射極(e)與集電極(c)； FET只有一種載流子（電子或空穴）參與導(dǎo)電，屬單極型半導(dǎo) 體；而BJT有2種載流子參與導(dǎo)電，為雙極型； FET放大電路也有3種組態(tài)形式：共柵極、共源極與共漏極放 大電路，分別對應(yīng)BJT的共基、共射與共集電極放大電路。P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡

2、型）FET場效應(yīng)管JFETMOSFET(IGFET)場效應(yīng)管的分類：MOSFET：金屬氧化物場效應(yīng)管，門極與源極、門極與漏極之間有一層氧化物絕緣層，也稱為絕緣柵極場效應(yīng)管(IGFET)增強(qiáng)型：場效應(yīng)管柵極沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道，D-S處于高阻狀態(tài)耗盡型：場效應(yīng)管柵極沒有加偏置電壓時，也存在導(dǎo)電溝道， D-S處于低阻狀態(tài)N溝道：導(dǎo)電溝道為N形半導(dǎo)體P溝道：導(dǎo)電溝道為P形半導(dǎo)體 5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管 （MOSFET）MOSFET主要特點： 門極與源極、門極與漏極之間有一層氧化物絕緣層，因而柵極輸入電阻很大，高達(dá)1015，輸入電流很小，也稱為絕緣柵極場效應(yīng)管(IGFET)sg

3、d襯底引線源極柵極漏極二氧化硅鋁N+N+P型硅襯底(a)dgs襯底(b)一、N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)與符號少量雜質(zhì)的P型半導(dǎo)體g和s、d 均無電的接觸， 因而叫絕緣柵絕緣層在vGS = 0，不存在導(dǎo)電溝道虛線表示為增強(qiáng)型溝道箭頭方向由P（襯底）指向N（溝道）高濃度雜質(zhì)的N+型半導(dǎo)體高濃度雜質(zhì)的N+型半導(dǎo)體襯底PN結(jié)sgd二氧化硅鋁N+N+P2. 工作原理VDD(1) vGS=0時，加入VDD iD=0，s-d之間為高阻態(tài)此時，源極、襯底與漏極存在2個PN結(jié)，總有一個PN結(jié)反偏；此時若s與襯底相連，則D與襯底間PN結(jié)亦是反偏。sgdN+N+PVDDVGG(2)vGS0時vGS到vGS

4、VT，聚集在半導(dǎo)體表面的電子將s與d連起來，形成N導(dǎo)電溝道，稱為N型感生溝道，s-d之間為低阻態(tài)。 VT稱為開啟電壓；N型(感生)溝道 在電場作用下，靠近g的空穴被排斥，而電子被吸引，因而電子聚集到靠近g的半 導(dǎo)體表面； g-P之間相當(dāng)于電容器，在 vGS作用下，產(chǎn)生電場；vGS越大，產(chǎn)生的感生溝道越厚，s-d之間電阻越低。sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)溝道iD迅速增大(3) vGSVT,加入VDSvDS=0 iD=0 vDS， iD 同時由于電場分布不均勻，導(dǎo)致溝道厚度的不均勻，靠d一側(cè)窄，靠s-側(cè)寬，成楔形；溝道形狀的變化，導(dǎo)致s-d間的電阻也發(fā)生變化；因而這段工作區(qū)域稱為可變電

5、阻區(qū)。vDS越大，靠d一側(cè)越窄sgdN+N+PVDDVGGiD飽和夾斷區(qū)vDS ，當(dāng)vDS = vGS VT時,靠d端被夾斷vDS， vDS vGS VT時,夾斷區(qū)iD飽和在飽和區(qū)，即使vDS繼續(xù)增加， iD基本不會發(fā)生變化由于在飽和區(qū)，vDS不能控制iD，要增大iD，須增大vGS，使溝道加寬；要減小iD，須減小vGS，使溝道變窄；因此，漏極電流iD 受柵源電壓vGS的控制，是電壓控制電流的器件。（1）NMOS輸出特性及大信號特性方程 截止區(qū)3. 特性曲線當(dāng)vGSVT時，導(dǎo)電溝道沒有形成，iD0，為截止工作狀態(tài)，s-d間高阻態(tài)。 可變電阻區(qū)rdso是一個受vGS控制的可變電阻 為本征電導(dǎo)因子其

6、中，為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2n ：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容vDS（vGSVT）d-s之間為可變電阻狀態(tài) 飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS VT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT時的iD V-I 特性：飽和條件（2）轉(zhuǎn)移特性（3）溝道長度調(diào)制 理想情況下，輸出特性曲線在飽和區(qū)與橫軸平行，工作電流iD只與vGS有關(guān)而與vDS無關(guān)，即： 而實際的情況下，輸出特性曲線在飽和區(qū)會輕微向上傾斜， 也就是說，電壓vDS對工作電流iD有輕微的影響。與vGS有關(guān)而與，即：工程上，一般采用溝道長度調(diào)制參數(shù)進(jìn)行修正，即：小結(jié)：N型MOSFET的三個區(qū)域截止區(qū)：條件：v

7、GSVT， 特點：工作電流iD=0；vDS（vGSVT）d-s之間為可變電阻狀態(tài)，iD與vDS 與vGS都有關(guān)；特點：飽和區(qū): 條件： vGSVT，vDS（vGSVT）特點： iD只與vGS有關(guān)，可變電阻區(qū)：條件：vGSVT，二、 N溝道耗盡型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)與符號gds襯底(b)+ + + + + +sgd襯底引線N+N+N型溝道P(a)在絕緣層sio2里摻雜大量正離子，正離子的作用使得即使在vgs=0時，在靠近g的邊緣產(chǎn)生連接源區(qū)與d區(qū)的N型溝道。耗盡型N溝道襯底PN結(jié)2. 工作原理vGS溝道 iD0存在vDS0，就有iD0變寬 VP，且vDS（vGSVP）使得耗盡型MOSFET的導(dǎo)

8、電溝道剛好消失（截止）的門極電壓值VP消失 截止3. 特性曲線vGS(V)VPiDO(a)轉(zhuǎn)移特性IDSSvDS(V)iDO0.4vGS0(V)0.20.2(b)輸出特性耗盡型NMOS的電流方程同增強(qiáng)型電流方程，不同的是要用VP替代VT三、 P溝道MOSFETP溝道MOSFET(簡稱PMOS管)與N溝道MOSFET(簡稱PMOS管)類似，不同的是電壓極性與NMOS相反，符號也與NMOS類似，但箭頭方向指向襯底P。耗盡型P溝道襯底PN結(jié)增強(qiáng)型P溝道襯底PN結(jié)四、MOSFET主要參數(shù) 夾斷電壓VP測試時，令vDS =10V。iD=20A。此時的vGS =VP 飽和漏電流 IDSSvGS = 0時，

9、vDS = 10V時的iD。1、直流參數(shù) 開啟電壓VT增強(qiáng)型MOS管參數(shù)，能夠?qū)ǖ臇艠O門檻電壓值測試時，令vDS =10V。iD=50A，此時的vGS耗盡型MOS管參數(shù)，完全關(guān)斷的柵極門檻電壓值 跨導(dǎo)gm是衡量vGS對iD控制作用的參數(shù)，也是表征管子放大能力的參數(shù)，其值約在0.1ms10ms內(nèi)。轉(zhuǎn)移特性曲線工作點上之斜率。因而，在Q點有：2、交流參數(shù) 輸出電阻 rd反映vDS對iD影響的指標(biāo)理想情況下，為無窮大；考慮溝道調(diào)制的影響，其值很大，幾十K幾百K。3、極限參數(shù)（略）一、 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算1、簡單的共源極放大電路（NMOS）共源極放大電路直流通路 5.2 MOSFET放大電路

10、（2）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即：驗證是否滿足（3）如果不滿足，則說明假設(shè)錯誤必須滿足VGS VT ，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即（1）求VGS求得，假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路假設(shè)工作在飽和區(qū)，得到：需要驗證是否滿足功能類似與射極偏置電阻不滿足的話，按可變電阻區(qū)計算。靜態(tài)時，vI0，VG 0，ID I電流源偏置 VS VG VGS （飽和區(qū)） （3）帶電流源偏置的NMOS共源極放大電路VDS VD

11、D IDRd- VS 二、圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同，帶交流負(fù)載時，必須使用交流負(fù)載線； 三、 小信號模型分析1、模型推導(dǎo)靜態(tài)值（直流）動態(tài)值（交流）非線性失真項 當(dāng)，vgsVp可變電阻區(qū)飽和區(qū) P型JFET與N型JFET類似，不同的是Vgs極性相反 可變區(qū)：0VgsVp, VdsVgs-Vp 飽和區(qū)：0VgsVp, VdsVgs-Vp 小結(jié)（一） ：4種MOSFET的特點夾斷電壓VT小于0；飽和條件：vGS VT，且vDS（vGSVT）增強(qiáng)型PMOS工作電壓VDS0夾斷電壓VP大于0；飽和條件：vGS VP，且vDS（vGSVP）耗盡型PMOS工作電壓VDSVT，且vD

12、S（vGSVT）增強(qiáng)型NMOS工作電壓VDS0夾斷電壓VP小于0；飽和條件：vGS VP，且vDS（vGSVP）耗盡型PMOS工作電壓VDS0飽和區(qū)可變電阻區(qū)增強(qiáng)型MOS管電流方程：飽和區(qū)可變電阻區(qū)耗盡型MOS管電流方程：耗盡型MOSFET和JFET比較相同點： vGS = 0 時，有導(dǎo)電溝道 小信號等效模型相同 不同點：耗盡型MOSFET： vGS可正可負(fù)JFET： vGS 必須反偏工作且具有低噪聲的特點 管子工作在飽和區(qū)有 CEBJTFETCSCCCDCBCG 5.5 各種放大器件電路性能比較BJT與FET比較：BJT：有2種載流子參與導(dǎo)電，基極輸入阻抗低，基極電流控制繼電器電流，是電流控制電流的受控電流源器件，放大倍數(shù)較高；FET：只有1種載流子參與導(dǎo)電，門極輸入阻抗超高，門極電壓控制漏極電流，是電壓控制電流的壓控電流源器件，gm較小，放