模電課件第五章

5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）*5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管5.5各種放大器件電路性能比較5.2MOSFET放大電路15.0場(chǎng)效應(yīng)管——場(chǎng)效應(yīng)管(FieldEffectTransistor，簡(jiǎn)稱FET)BJT(三極管)是一種電流控制元件(iB~iC)。工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以能耗大，溫度特性差。FET是一種電壓控制器件(vGS~iD)。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它能耗小，輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。2P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道5.0場(chǎng)效應(yīng)管的分類：35.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)45.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長(zhǎng)度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L55.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1.結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)62.工作原理（1）VGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)VGS≤0時(shí)d、s間加電壓時(shí)，無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)VGS>0時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFETDS之間相當(dāng)于兩個(gè)反偏的PN結(jié)ID=0自由電子濃度增加無(wú)導(dǎo)電溝道未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)VGS<VT時(shí)7當(dāng)VGS>VT時(shí)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。

VGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT稱為開(kāi)啟電壓2.工作原理（1）VGS對(duì)溝道的控制作用5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來(lái)，VGS越大此電阻越小。82.工作原理（2）VDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場(chǎng)強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)VGS一定（VGS>VT）時(shí)，VDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布？電流ID是否會(huì)隨著VDS的增加一直線性增長(zhǎng)？9當(dāng)VGS一定（VGS>VT）時(shí)，VDSID溝道電位梯度當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2.工作原理（2）VDS對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：VGD=VGS-VDS=VT預(yù)夾斷后，VDS夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變102.工作原理（3）VDS和VGS同時(shí)作用時(shí)

VDS一定，VGS變化時(shí)給定一個(gè)vGS，就有一條不同的iD–vDS曲線。11以上分析可知溝道中只有一種載流子參與導(dǎo)電，所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。MOSFET是電壓控制電流器件（VCCS），iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。

MOSFET的柵極是絕緣的，所以iG0，輸入電阻很高。只有當(dāng)VGS>VT時(shí)，增強(qiáng)型MOSFET的d、s間才能導(dǎo)通。？MOSFET與BJT有什么不同？MOSFET只有一種載流子參與導(dǎo)電，而B(niǎo)JT有兩種載流子參與導(dǎo)電MOSFET比BJT輸入電阻大MOSFET是VCCS,BJT是CCCS123.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。沒(méi)有導(dǎo)電溝道133.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程②可變電阻區(qū)vDS≤（vGS－VT）n：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本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2有導(dǎo)電溝道且溝道未被夾斷143.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程由于vDS較小，可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻②可變電阻區(qū)vDS≤（vGS－VT）153.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時(shí)的iDV-I特性：導(dǎo)電溝道被夾斷以后？此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的V-I特性方程是怎樣的？

163.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性

為什么不考慮輸入特性曲線？ABCDE？175.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子18vGS>0時(shí)，溝道變寬vGS<0時(shí)，溝道變窄，當(dāng)vGS=Vp時(shí)，溝道被夾斷iD=0,iG=0結(jié)論：可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）192.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）為零柵壓的漏極電流，稱為飽和漏極電流IDSS205.1.3P溝道MOSFET#襯底是什么類型的半導(dǎo)體材料？#哪個(gè)符號(hào)是增強(qiáng)型的？#在增強(qiáng)型的P溝道MOSFET中，vGS應(yīng)加什么極性的電壓才能工作在飽和區(qū)（線性放大區(qū)）？？215.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，曲線是平坦的。

修正后225.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1.開(kāi)啟電壓VT（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓VP（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，rds→∞

235.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)考慮到則其中245.1.5MOSFET的主要參數(shù)end三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

25場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數(shù)

rce很高

rds很高輸出電阻輸入電阻較低較高雙極型三極管單極型場(chǎng)效應(yīng)管熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復(fù)雜簡(jiǎn)單，成本低對(duì)應(yīng)電極

B—E—CG—S—D26(1)靜態(tài)：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)，場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單。

(2)動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。組成原則：靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動(dòng)態(tài)分析：圖解法、微變等效電路法。分析方法：5.2MOSFET放大電路275.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析3.小信號(hào)模型分析5.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路（CMOS共源放大電路）28FET放大電路的三種組態(tài)5.2.1MOSFET放大電路輸入在柵極,輸出在漏極:共源極放大電路(CS)輸入在柵極,輸出在源極:共漏極放大電路(CD漏極輸出器)輸入在源極,輸出在漏極:共柵極放大電路(CG)291.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路（3）電流源偏置的NMOS共源極放大電路？場(chǎng)效應(yīng)管的靜態(tài)工作量由那些參數(shù)決定？

VGS、VDS、ID

305.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路？如何畫(huà)直流通路和交流通路？315.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足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32設(shè)Rd=15k，VZ=3V,

VDD=5V，

VT=1V，Kn=0.2mA/V2,求靜態(tài)工作點(diǎn)（2）Rg1=45k，Rg2=5k,（3）Rg1=70k，Rg2=30k,VDD+-vi+-voVz（1）Rg1=60k，Rg2=40k,解：（1）先求VGS：

（4）Rg1=30k，Rg2=30k,假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。33VDD+-vi+-voVz（2）Rg1=45k，Rg2=5k,（3）Rg1=70k，Rg2=30k,截止區(qū)所以工作于飽和區(qū)VDSQ=3V如果Rg1=30k，Rg2=30k,結(jié)果又如何？

假設(shè)工作于飽和區(qū)？34VDD+-vi+-voVz（4）Rg1=30k，Rg2=30k,假設(shè)工作于飽和區(qū)假設(shè)不合理，設(shè)工作于可變電阻區(qū)故工作于可變電阻區(qū)，VDSQ=0.5V355.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足365.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）求出VGSVDS＝

VDD－

IDRD－

VS（3）電流源偏置的NMOS共源極放大電路375.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同vivGS＝VGGQiD0ωtvDS0ωtIDQidVDSQvds383.小信號(hào)模型分析（1）模型（微變等效電路）（2）放大電路分析共源極放大電路共漏極放大電路39互導(dǎo)漏極輸出電阻vGSiDvDS5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型gsd40很大，可忽略。=0時(shí)（1）模型（微變等效電路）3.小信號(hào)模型分析高頻小信號(hào)模型413.小信號(hào)模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析（例5.2.5）423.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）取id所在回路取vgs所在回路433.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏443.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析45riro

rogR2R1RGsdRLRS微變等效電路（3）共漏極放大電路vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G3.小信號(hào)模型分析46riRL輸入電阻ri輸出電阻rogR2R1RGsdRS微變等效電路

roro47場(chǎng)效應(yīng)管放大電路小結(jié)(1)場(chǎng)效應(yīng)管放大器輸入電阻很大。(2)場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大器(漏極輸出)輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻=RD。(3)場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸出電阻小。48例：設(shè)gm=3mA/V，=50，場(chǎng)效應(yīng)管=0前級(jí):場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大器后級(jí):晶體管共射極放大器求：總電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。+VCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21M49（1）估算各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn):（2）動(dòng)態(tài)分析:

微變等效電路首先計(jì)算第二級(jí)的輸入電阻：

ri2=

R3//R4//rbe=82//43//1.64=1.64kR3R4RCRLRSR2R1RDrbegds50第二步：計(jì)算各級(jí)電壓放大倍數(shù)R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds51第三步：計(jì)算輸入電阻、輸出電阻ri=R1//R2=3//1=0.75Mro=RC=10kR3R4RCRLRSR2R1RDrbegds52第四步：計(jì)算總電壓放大倍數(shù)Av=Av1Av2=(-4.2)(-152)=638.4R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds535.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路（CMOS共源放大電路）不作要求end54N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極一、結(jié)構(gòu)導(dǎo)電溝道5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管剖面圖55NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGS一、結(jié)構(gòu)PNNG(柵極)S源極D漏極DGSP溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管56二、工作原理（以P溝道為例）VDS=0V時(shí)PGSDVDSVGSNNNNIDPN結(jié)反偏，VGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。1、VGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)VGS較小時(shí)，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。