場效應(yīng)管及其放大電路(同名941)課件

第五章場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道MOS型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型第五章場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管是一種利用1§5.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應(yīng)管

金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)又稱絕緣柵型場效應(yīng)管，它是一種利用半導體表面電場效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻大于109。增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導電溝道， 在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道， 在VDS作用下iD?！?.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應(yīng)管 金屬氧化21.結(jié)構(gòu)和符號

N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的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電極作為GD(Drain):漏極，相當cG(Gate):柵極，相當bS(Source):源極，相當eB(Substrate):襯底§5.1.1N溝道增強型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和符號N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對稱，是在32.工作原理VGS=0時，無導電溝道

漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個PN結(jié)反向，所以不存在導電溝道。VGS=0，ID=0VGS必須大于0管子才能工作。（1）柵源電壓VGS的控制作用2.工作原理VGS=0時，無導電溝道（1）柵源電壓VGS的4

（b）0＜VGS＜VT

（VT稱為開啟電壓)在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個垂直于導體表面的電場，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。但由于電場強度有限，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。0＜VGS＜VT，

ID=0（b）0＜VGS＜VT0＜VGS＜VT，5(c)VGS＞VT時此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，柵極下方的P型半導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VDS>0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導電溝道中的電子，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時沒有導電溝道，依靠柵源電壓的作用而形成感生溝道的FET稱為增強型FETVGS>0g吸引電子反型層導電溝道VGS反型層變厚VDS

ID(c)VGS＞VT時VGS>0g吸引電子反型層導電6（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定為某一值，VGD=VGS－VDSVDS為0或較小時，

VGD=VGS－VDS＞VT，溝道分布如圖，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時，ID隨VDS增大。VDSID（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS7（b）當VDS增加到使VGD=VT時溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（b）當VDS增加到使VGD=VT時（2）漏源電壓VDS對漏8（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDSID不變（c）當VDS增加到VGDVT時溝道如圖所示。此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，向S極延伸。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDSID93.輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS<VT以下區(qū)域就是截止區(qū)VGS＜

VTID=0(2)可變電阻區(qū)未產(chǎn)生夾斷時，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域VGS-VDSVPVDSID處于飽和區(qū)的場效應(yīng)管相當于一個壓控可變電阻V-I特性近似為：3.輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）10其中本征導電因子為反型層中電子遷移率為柵極氧化層單位面積電容vDS/ViD在特性曲線原點附近所以可變電阻區(qū)內(nèi)原點附近輸出電阻為：為受控于VGS的可變電阻其中本征導電因子為反型層中電子遷移率為柵極氧化層單位面積電容11(3)放大區(qū)產(chǎn)生夾斷后，VDS增大，ID不變的區(qū)域，VDSVGS-

VT

VDSID不變處于飽和區(qū)的場效應(yīng)管相當于一個壓控電流源在預(yù)夾斷臨界條件下VDS

=VGS-

VT

由此得到飽和區(qū)的V-I特性表達式：它是時的(3)放大區(qū)在預(yù)夾斷臨界條件下VDS=VGS-VT12

ID=f(VGS)VDS=const轉(zhuǎn)移特性曲線iDvGS/VID=f(VDS)VGS=const輸出特性曲線vDS/ViD4.轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。gm的量綱為mA/V，稱為跨導。

gm=ID/VGSVDSID=f(VGS)VDS=constiDvGS/V135.1.2N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖所示，制造時在柵極下方的絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。5.1.2N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOSFET的14溝道長度調(diào)制效應(yīng)

MOSFET中,柵極下導電溝道預(yù)夾斷后，若繼續(xù)增大VDs，夾斷點會略向源極方向移動。導致夾斷點到源極之間的溝道長度略有減小，有效溝道電阻也就略有減小，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點，導致在耗盡區(qū)漂移電子增多,使iD增大，這種效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)制效應(yīng)

5.1.2溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)

5.1.2溝道長度調(diào)制效應(yīng)15各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管NP16各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管NP175.1.5MOSFET的主要參數(shù)1、開啟電壓VT：在VDS為一固定數(shù)值時，能產(chǎn)生ID所需要的最小|VGS|值。（增強）2、夾斷電壓VP：在VDS為一固定數(shù)值時，使ID對應(yīng)一微小電流時的|VGS|值。（耗盡）3、飽和漏極電流IDSS：在VGS=0時，VDS>

|VP|時的漏極電流。（耗盡）4、極間電容

：漏源電容CDS約為0.1~1pF，柵源電容CGS和柵漏極電容CGD約為1~3pF。一、直流參數(shù)5.1.5MOSFET的主要參數(shù)1、開啟電壓VT：在V18場效應(yīng)管的主要參數(shù)2、低頻互導gm

：表示vGS對iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm

是曲線在某點上的斜率，也可由iD的表達式求導得出，單位為S或mS。二、交流參數(shù)1、輸出電阻不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時為0考慮時為場效應(yīng)管的主要參數(shù)2、低頻互導gm：表示vGS191、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

由V-I特性估算

因為則三、極限參數(shù)1、最大漏極電流IDM2、最大漏極耗散功率PD20場效應(yīng)三極管的型號場效應(yīng)三極管的型號,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)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(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溝道場效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。場效應(yīng)三極管的型號場效應(yīng)三極管的型號,現(xiàn)行21幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表225.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2.圖解分析3.小信號模型分析5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大235.2.1簡單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋步驟——直流通路VGIDVS5.2MOSFET放大電路1假設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有VGSQ>VT，IDQ>0，VDSQ>VGSQ-VT2利用飽和區(qū)的V-I曲線分析電路：3如果出現(xiàn)VGS<VT，則MOS管可能截至，如果VDS<VGS-VT，則MOS管可能工作在可變電阻區(qū)。4如果初始假設(shè)被證明是錯誤的，則必須作新的假設(shè)，同時重新分析電路。245.2.1簡單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDRdR245.2.1簡單共源極放大電路的直流分析（1）直流通路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋VGIDVSVGS=VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VDS=VDD－IDRd若NMOS工作于飽和區(qū)，則若計算的VDS>VGS-VT，則說明NMOS確工作于飽和區(qū)；若VDS<VGS-VT，則說明工作于可變電阻區(qū)。工作于可變電阻區(qū)的ID：5.2MOSFET放大電路255.2.1簡單共源極放大電路的直流分析（1）直流通路gd255.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋（1）直流通路VS若NMOS工作于飽和區(qū)，則RRsvs+-VGIDVDS=VDD－ID(Rd+R)－Vssv05.2MOSFET放大電路265.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路gdsBVDD26gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：即0.5＝0.5(VGS-1)2流過Rg1、Rg2的電流為0.05mAVSRsvs+-VGIDv0得VGS=

2V27gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋27gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：VSRsvs+-VGIDv0Rg2=45K、Rg1=155K判斷假設(shè)的正確性：VDS=(VDD+VSS)－ID(Rd+R)=4.7V則有：VDS>(VGS-VT)=2-1=1V說明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。28gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋28gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋靜態(tài)值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信號電壓波形：ωtvi因為：vGS=VGSQ+vi所以vGS的波形為：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiDIDQIDQ1IDQ20負載線方程：：iD=-+VDDvDSRdRd是一條過(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直線5.2.3NMOS共源極放大電路的圖解分析5.2MOSFET放大電路29gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viC29vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDSωtωtVDSQ5.2.3NMOS共源極放大電路的圖解分析5.2MOSFET放大電路30vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDV301.NMOS管的小信號模型雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid工作在飽和區(qū)的漏極電流iD:IDQid＝gmvgs諧波分量越小越好，一般取為0。ig＝0,輸入端相當于開路；id＝gmvgs，輸出回路等效成一個電壓控制電流源。gm=2Kn(VGSQ-VT)5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路311.NMOS管的小信號模型雙端口gsdsvgsvdsid工作31場效應(yīng)管輸出特性表達式：求全微分:漏極與源極間等效電導，相當于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大其中：為低頻跨導,是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點的斜率5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid變化量由該式可得到場效應(yīng)管的微變等效電路1.NMOS管的小信號模型32場效應(yīng)管輸出特性表達式：求全微分:漏極與源極間等效電導，相當32漏極與源極間等效電導，相當于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大為低頻跨導,是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點的斜率5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因rds很大，可忽略，得簡化小信號模型:可得到場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路1.NMOS管的小信號模型33漏極與源極間等效電導，相當于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大335.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd345.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOS345.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)電壓放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=Rd355.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOS35gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋R首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路(1)電壓放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=Rd36gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viC36gdsBVDDRdRg1Rg2id＋－viCb2＋Cb2v0＋＋Cb2v0＋＋R首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)電壓放大倍數(shù)取rds為無窮時：(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=R//rds//gm1推導5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路37gdsBVDDRdRg1Rg2id＋－viCb2＋Cb2v037dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻R0的計算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR+ir-gmvgs5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路38dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻38例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解.若管子工作在飽和區(qū)，則=0.2×(2-1)2=0.2mA可見:說明管子工作在飽和區(qū).39例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=539(1)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT)=2×0.2×(2-1)=0.4mS(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2=60//40=24K(3)輸出電阻R0=Rd=15K+-vi例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解.40(1)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT)(2)輸入電阻40模型模型41§5.3結(jié)型場效應(yīng)管(JunctiontypeFieldEffectTransister)

5.3.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號結(jié)型場效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個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)正偏或正偏時柵極電流方向?！?.3結(jié)型場效應(yīng)管(Junctiontype425.3.2工作原理ID（1）VGS對導電溝道的影響：VP(VGS(OFF))：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結(jié)，RGS>107，所以IG=0(a)VGS=0，VDS=0，ID=0

結(jié)型場效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管只能工作在負柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作原理：5.3.2工作原理ID（1）VGS對導電溝道的影響：VP(43(c)|VGS|

=VP

，導電溝道被全夾斷(b)0<VGS<VPVGS耗盡層變寬VGS控制導電溝道的寬窄，即控制ID的大小。(c)|VGS|=VP，(b)0<44（2）VDS對iD的影響VDS>0但|VGS-VDS|

<|VP|

，時(a)VDS增加，d端電位高，s端電位低，導電溝道內(nèi)存在電位梯度，所以耗盡層上端變寬。VDSIDID（2）VDS對iD的影響(a)VDS增加，d端電位高，s45工作原理(b)|VGS-VDS|

=|VP|時，導電溝道在a點相遇，溝道被夾斷。VGS=0時，產(chǎn)生夾斷時的ID稱為漏極飽和電流IDSSID工作原理(b)ID46工作原理(c)VDS夾端長度 場強ID=IDSS基本不變。ID工作原理(c)VDS夾端長度ID475.3.2JFET的特性曲線VDS=10V時的轉(zhuǎn)移特性曲線IDSS是在VGS=0，VDS>

|VP|時的漏極電流當|vGS-vDS|

|

vP|后，管子工作在恒流區(qū)，vDS對iD的影響很小。實驗證明，當|vGS-vDS|

|

VP|時，iD可近似表示為：5.3.2JFET的特性曲線VDS=10V時的轉(zhuǎn)移特性48①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點:(1)受控性：輸入電壓vGS控制輸出電流(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①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點:(1)受控49可變電阻區(qū)特點:(1)當vGS

為定值時,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：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：源端與漏端溝道都不夾斷

可變電阻區(qū)特點:(1)當vGS為定值時,iD是vDS50夾斷區(qū)

用途：做無觸點的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個溝道都夾斷

特點：夾斷區(qū)用途：做無觸點的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。51②轉(zhuǎn)移特性曲線輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制②轉(zhuǎn)移特性曲線輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制525.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法1.JFET小信號模型（1）低頻模型5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法1.JFE53（2）高頻模型（2）高頻模型545.3.3應(yīng)用小信號模型法分析JFET放大電路1.直流偏置電路（1）分壓式自偏壓電路（2）自偏壓電路vGSvGS=0－iDR5.3.3應(yīng)用小信號模型法分析JFET放大電路1.直流552.動態(tài)指標分析（1）低頻小信號模型2.動態(tài)指標分析（1）低頻小信號模型562.動態(tài)指標分析（2）低頻電壓增益（3）輸入電阻（4）輸出電阻忽略rD由輸入輸出回路得則通常則2.動態(tài)指標分析（2）低頻電壓增益（3）輸入電阻（4）輸出57雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道C與E一般不可倒置使用D與S可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NP58第五章場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道MOS型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型第五章場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管是一種利用59§5.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應(yīng)管

金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)又稱絕緣柵型場效應(yīng)管，它是一種利用半導體表面電場效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻大于109。增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導電溝道， 在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道， 在VDS作用下iD?！?.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應(yīng)管 金屬氧化601.結(jié)構(gòu)和符號

N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的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電極作為GD(Drain):漏極，相當cG(Gate):柵極，相當bS(Source):源極，相當eB(Substrate):襯底§5.1.1N溝道增強型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和符號N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對稱，是在612.工作原理VGS=0時，無導電溝道

漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個PN結(jié)反向，所以不存在導電溝道。VGS=0，ID=0VGS必須大于0管子才能工作。（1）柵源電壓VGS的控制作用2.工作原理VGS=0時，無導電溝道（1）柵源電壓VGS的62

（b）0＜VGS＜VT

（VT稱為開啟電壓)在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個垂直于導體表面的電場，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。但由于電場強度有限，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。0＜VGS＜VT，

ID=0（b）0＜VGS＜VT0＜VGS＜VT，63(c)VGS＞VT時此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，柵極下方的P型半導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VDS>0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導電溝道中的電子，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時沒有導電溝道，依靠柵源電壓的作用而形成感生溝道的FET稱為增強型FETVGS>0g吸引電子反型層導電溝道VGS反型層變厚VDS

ID(c)VGS＞VT時VGS>0g吸引電子反型層導電64（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定為某一值，VGD=VGS－VDSVDS為0或較小時，

VGD=VGS－VDS＞VT，溝道分布如圖，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時，ID隨VDS增大。VDSID（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS65（b）當VDS增加到使VGD=VT時溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（b）當VDS增加到使VGD=VT時（2）漏源電壓VDS對漏66（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDSID不變（c）當VDS增加到VGDVT時溝道如圖所示。此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，向S極延伸。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDSID673.輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS<VT以下區(qū)域就是截止區(qū)VGS＜

VTID=0(2)可變電阻區(qū)未產(chǎn)生夾斷時，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域VGS-VDSVPVDSID處于飽和區(qū)的場效應(yīng)管相當于一個壓控可變電阻V-I特性近似為：3.輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）68其中本征導電因子為反型層中電子遷移率為柵極氧化層單位面積電容vDS/ViD在特性曲線原點附近所以可變電阻區(qū)內(nèi)原點附近輸出電阻為：為受控于VGS的可變電阻其中本征導電因子為反型層中電子遷移率為柵極氧化層單位面積電容69(3)放大區(qū)產(chǎn)生夾斷后，VDS增大，ID不變的區(qū)域，VDSVGS-

VT

VDSID不變處于飽和區(qū)的場效應(yīng)管相當于一個壓控電流源在預(yù)夾斷臨界條件下VDS

=VGS-

VT

由此得到飽和區(qū)的V-I特性表達式：它是時的(3)放大區(qū)在預(yù)夾斷臨界條件下VDS=VGS-VT70

ID=f(VGS)VDS=const轉(zhuǎn)移特性曲線iDvGS/VID=f(VDS)VGS=const輸出特性曲線vDS/ViD4.轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。gm的量綱為mA/V，稱為跨導。

gm=ID/VGSVDSID=f(VGS)VDS=constiDvGS/V715.1.2N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖所示，制造時在柵極下方的絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。5.1.2N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOSFET的72溝道長度調(diào)制效應(yīng)

MOSFET中,柵極下導電溝道預(yù)夾斷后，若繼續(xù)增大VDs，夾斷點會略向源極方向移動。導致夾斷點到源極之間的溝道長度略有減小，有效溝道電阻也就略有減小，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點，導致在耗盡區(qū)漂移電子增多,使iD增大，這種效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)制效應(yīng)

5.1.2溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)

5.1.2溝道長度調(diào)制效應(yīng)73各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管NP74各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管NP755.1.5MOSFET的主要參數(shù)1、開啟電壓VT：在VDS為一固定數(shù)值時，能產(chǎn)生ID所需要的最小|VGS|值。（增強）2、夾斷電壓VP：在VDS為一固定數(shù)值時，使ID對應(yīng)一微小電流時的|VGS|值。（耗盡）3、飽和漏極電流IDSS：在VGS=0時，VDS>

|VP|時的漏極電流。（耗盡）4、極間電容

：漏源電容CDS約為0.1~1pF，柵源電容CGS和柵漏極電容CGD約為1~3pF。一、直流參數(shù)5.1.5MOSFET的主要參數(shù)1、開啟電壓VT：在V76場效應(yīng)管的主要參數(shù)2、低頻互導gm

：表示vGS對iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm

是曲線在某點上的斜率，也可由iD的表達式求導得出，單位為S或mS。二、交流參數(shù)1、輸出電阻不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時為0考慮時為場效應(yīng)管的主要參數(shù)2、低頻互導gm：表示vGS771、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

由V-I特性估算

因為則三、極限參數(shù)1、最大漏極電流IDM2、最大漏極耗散功率PD78場效應(yīng)三極管的型號場效應(yīng)三極管的型號,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)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(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溝道場效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。場效應(yīng)三極管的型號場效應(yīng)三極管的型號,現(xiàn)行79幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表805.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2.圖解分析3.小信號模型分析5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大815.2.1簡單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋步驟——直流通路VGIDVS5.2MOSFET放大電路1假設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有VGSQ>VT，IDQ>0，VDSQ>VGSQ-VT2利用飽和區(qū)的V-I曲線分析電路：3如果出現(xiàn)VGS<VT，則MOS管可能截至，如果VDS<VGS-VT，則MOS管可能工作在可變電阻區(qū)。4如果初始假設(shè)被證明是錯誤的，則必須作新的假設(shè)，同時重新分析電路。825.2.1簡單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDRdR825.2.1簡單共源極放大電路的直流分析（1）直流通路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋VGIDVSVGS=VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VDS=VDD－IDRd若NMOS工作于飽和區(qū)，則若計算的VDS>VGS-VT，則說明NMOS確工作于飽和區(qū)；若VDS<VGS-VT，則說明工作于可變電阻區(qū)。工作于可變電阻區(qū)的ID：5.2MOSFET放大電路835.2.1簡單共源極放大電路的直流分析（1）直流通路gd835.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋（1）直流通路VS若NMOS工作于飽和區(qū)，則RRsvs+-VGIDVDS=VDD－ID(Rd+R)－Vssv05.2MOSFET放大電路845.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路gdsBVDD84gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：即0.5＝0.5(VGS-1)2流過Rg1、Rg2的電流為0.05mAVSRsvs+-VGIDv0得VGS=

2V85gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋85gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：VSRsvs+-VGIDv0Rg2=45K、Rg1=155K判斷假設(shè)的正確性：VDS=(VDD+VSS)－ID(Rd+R)=4.7V則有：VDS>(VGS-VT)=2-1=1V說明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。86gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋86gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋靜態(tài)值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信號電壓波形：ωtvi因為：vGS=VGSQ+vi所以vGS的波形為：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiDIDQIDQ1IDQ20負載線方程：：iD=-+VDDvDSRdRd是一條過(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直線5.2.3NMOS共源極放大電路的圖解分析5.2MOSFET放大電路87gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viC87vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDSωtωtVDSQ5.2.3NMOS共源極放大電路的圖解分析5.2MOSFET放大電路88vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDV881.NMOS管的小信號模型雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid工作在飽和區(qū)的漏極電流iD:IDQid＝gmvgs諧波分量越小越好，一般取為0。ig＝0,輸入端相當于開路；id＝gmvgs，輸出回路等效成一個電壓控制電流源。gm=2Kn(VGSQ-VT)5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路891.NMOS管的小信號模型雙端口gsdsvgsvdsid工作89場效應(yīng)管輸出特性表達式：求全微分:漏極與源極間等效電導，相當于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大其中：為低頻跨導,是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點的斜率5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid變化量由該式可得到場效應(yīng)管的微變等效電路1.NMOS管的小信號模型90場效應(yīng)管輸出特性表達式：求全微分:漏極與源極間等效電導，相當90漏極與源極間等效電導，相當于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大為低頻跨導,是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點的斜率5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因rds很大，可忽略，得簡化小信號模型:可得到場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路1.NMOS管的小信號模型91漏極與源極間等效電導，相當于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大915.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd925.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOS925.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)電壓放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=Rd935.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOS93gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋R首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路(1)電壓放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=Rd94gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viC94gdsBVDDRdRg1Rg2id＋－viCb2＋Cb2v0＋＋Cb2v0＋＋R首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)電壓放大倍數(shù)取rds為無窮時：(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=R//rds//gm1推導5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路95gdsBVDDRdRg1Rg2id＋－viCb2＋Cb2v095dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻R0的計算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR+ir-gmvgs5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號模型5.2MOSFET放大電路96dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻96例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解.若管子工作在飽和區(qū)，則=0.2×(2-1)2=0.2mA可見:說明管子工作在飽和區(qū).97例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=597(1)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT)=2×0.2×(2-1)=0.4mS(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2=60//40=24K(3)輸出電阻R0=Rd=15K+-vi例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解.98(1)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT)(2)輸入電阻98模型模型99§5.3結(jié)型場效應(yīng)管(JunctiontypeFieldEffectTransister)

5.3.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號結(jié)型場效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個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)