模擬集成合理使用電路

第三章場效應(yīng)管及基本放大電路MOS場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路場效應(yīng)管基本放大電路第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第一節(jié)MOS場效應(yīng)極管場效應(yīng)管：是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。1.根據(jù)載流子來劃分：N溝道器件：電子作為載流子的。P溝道器件：空穴作為載流子的。2.根據(jù)結(jié)構(gòu)來劃分：結(jié)型場效應(yīng)管JFET：絕緣柵型場效應(yīng)管IGFET：(一)

增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖：D為漏極，相當(dāng)C；G為柵極，相當(dāng)B；S為源極，相當(dāng)E。

一、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的工作原理絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET分為：增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道N溝道增強(qiáng)型

MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖柵壓為零時有溝道柵壓為零時無溝道P型硅作襯底濃度較低引出電極B在P型襯底上生成SiO2薄膜絕緣層引出電極G極用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極：S極和D極由于BS短接,G與襯底B間產(chǎn)生電場，電子被正極板吸引,空穴被排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子——電子，將向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍不能形成漏極電流ID。1．柵源電壓UGS的控制作用漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。即:ID=0（二）工作原理(1).當(dāng)UGS=0V時:(2).0＜UGS＜UT時:(3).當(dāng)UGS=UT:(UT

稱為開啟電壓)1.在UGS=0V時ID=0;2.只有當(dāng)UGS＞UT后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。出現(xiàn)反型層,與N形成一體,形成導(dǎo)電溝道;當(dāng)UDS＞0時:D溝道

S之間形成漏極電流。(4).當(dāng)UGS＞UT:(UT

稱為開啟電壓)隨著UGS的繼續(xù)增加，溝道加厚，溝道電阻，ID將不斷（續(xù)）工作原理結(jié)論(1).轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

(2).gm

的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下：圖03.14轉(zhuǎn)移特性曲線gm=ID/UGS

UDS=const(單位mA/V)（三）特性曲線UGS對ID的控制關(guān)系可用如下曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線ID=f(UGS)UDS=const1.轉(zhuǎn)移特性曲線如圖：(1).UGS<UT時：溝道未形成，ID=0管子處于截止?fàn)顟B(tài)(2).UGSUT時：溝道形成，ID>0隨UGS溝道加厚溝道電阻

ID

UDS正向減小，曲線右移，但UDS不同的曲線差別很小在恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線中ID

與UDS的關(guān)系為：ID=K(UGS-UT)2

;式中K為導(dǎo)電因子ID=(UGS-UT)2nCOXW/2L短溝道時：ID=K(UGS-UT)2(1+UDS)且UGS固定為某一很小值時：UDS與漏極電流ID之間呈線性關(guān)系。圖03.15(a)漏源電壓UDS對溝道的影響(動畫2-5)2．輸出特性曲線

此時有如下關(guān)系:（1）可變電阻區(qū)UGS＞UT:反映了漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用：ID=f(UDS)UGS=constID=K(UGS-UT)2UDS

由上式可知:UGS一定恒流區(qū)內(nèi)：Ron=

dUDS/

dID|dUGS=0Ron=

L

/

nCOXW(UGS-UT)1.UGS恒定時近似為常數(shù)。2.Ron隨UGS而變化，故稱可變電阻區(qū)。圖03.16漏極輸出特性曲線

當(dāng)UDS=UGS-UT時:(由于的存在，導(dǎo)電溝道不均勻)此時漏極端的導(dǎo)電溝道將開始消失（稱預(yù)夾斷）(2)恒流區(qū)：UDS=0或較小時:(即UGD＞UT)當(dāng)UGS一定時：ID隨UDS基本不變，ID恒定稱恒流區(qū)。

當(dāng)UDS>UGS-UT時:隨UDS夾斷點向移動，耗盡層的電阻很高（高于溝道電阻）所以新增UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，ID不隨UDS而變。(3)擊穿區(qū)：當(dāng)UDS增加到某一臨界值時，ID（急劇）即D與襯底之間擊穿。漏源電壓UDS對溝道的影響圖03.16漏極輸出特性曲線當(dāng)UGS＞UT，且固定為某一值時:

UDS對ID的影響的關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。UGS＜0時；隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時也用UP表示。

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖所示，(二)N溝道耗盡型MOSFET

當(dāng)UGS=0時；正離子已感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。(a)結(jié)構(gòu)示意圖在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當(dāng)UGS＞0時；將使ID進(jìn)一步增加。圖03.17N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線:如圖所示N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線:圖03.18N溝道耗盡型的輸出特性曲線P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同。區(qū)別是導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同。同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。(三)P溝道耗盡型MOSFET場效應(yīng)管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道不同，以及增強(qiáng)型還是耗盡型,可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于下圖之中。2.伏安特性曲線

圖03.18各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理也相同。如圖:在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極;N型硅的一端是漏極;另一端是源極。圖03.19結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)一.結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu):柵極漏極源極

二.結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作反偏的條件下。N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)。P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。

①柵源電壓對溝道的控制作用4.當(dāng)漏極電流為零時所對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP、這一過程如圖02.20所示。

1.當(dāng)UGS=0時:

耗盡層、溝道寬，溝道電阻小，N區(qū)電子隨UDS

，產(chǎn)生

ID并。

2.當(dāng)UGS＜0時（即負(fù)壓）時:PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小。

3.當(dāng)UGS繼續(xù)減小（即負(fù)壓）：溝道繼續(xù)變窄，，并在極附近耗盡層相遇，稱預(yù)夾斷，ID繼續(xù)減小直至為0。圖02.21漏源電壓對溝道的控制作用

②漏源電壓對溝道的控制作用當(dāng)UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)時；在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷，所示。當(dāng)UDS繼續(xù)增加；漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應(yīng)管十分相似，見圖03.15。

當(dāng)UGS＞UGS(off)；若漏源電壓UDS從零開始增加，則UGD=UGS-UDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，所示。

(三)結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正可負(fù)，而結(jié)型場效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。JFET的特性曲線有兩條：轉(zhuǎn)移特性曲線：輸出特性：第三節(jié)場效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路

一場效應(yīng)管的直流參數(shù)二場效應(yīng)管的微變參數(shù)三場效應(yīng)管的型號四場效應(yīng)管的微變等效電路

開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通(即IG=0)。夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)漏極電流為零時,UGS=UP耗盡型場效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。一場效應(yīng)三極管的直流參數(shù)①開啟電壓

UT②夾斷電壓UP③飽和漏極電流IDSS

④場效應(yīng)管柵源輸入電阻RGS：柵源間加固定電壓UGS柵極電流IGS之比，輸入電阻的典型值:結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時RGS約大于107Ω，絕緣柵場效應(yīng)管RGS約是109～1015Ω。漏源、柵源擊穿電壓BUDS、

B

UGS①低頻跨導(dǎo)gm低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對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mA/V或mS(毫西門子)。二場效應(yīng)管的微變參數(shù)(1).圖解法求解：在曲線上作切線，其斜率為gm(2).解析法求解：增強(qiáng)型MOSFET:gm=1/Ron耗盡型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2IDSS/Up②襯底跨導(dǎo)gmb③漏極電阻rdS：可在輸出特性曲線上求解④導(dǎo)通電阻Ron：極間電容:包括CgS、

Cgd、Cgb、

Csd、

Csb、

Cdb。在恒流區(qū)：下表列出了MOS管參數(shù)表3-2常用場效應(yīng)三極管的參數(shù)

三場效應(yīng)管的微變等效電路1.低頻等效電路：Ugs+-gmUgs1/gds

+-Ugs+IdFET低頻微變等效電路（dUBS=0）2.高頻等效電路：FET高頻微變等效電路（dUBS=0）UgsGSgmUgs1/gds

DSUgsIdCdsCgs雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較(續(xù))第四節(jié)場效應(yīng)管的基本放大電路一場效應(yīng)管的偏置電路二外加偏置電路三三種基本放大電路四三種接法基本放大電路的比較一場效應(yīng)管的偏置電路（一）自給偏置電路：(1).UGS=

0時：IS=IDRS兩端電壓為：US=ISRS(2).由于IG=0;UG=0:

UGS=

-ISRS=-IDRS由此構(gòu)成支流偏壓，所以稱為自給偏壓式。1.基本型自給偏置電路：基本型自給偏置電路2.改進(jìn)型自給偏置電路：(1).由R1=R2分壓，給RG一個固定偏壓。RG很大以減小對輸入電阻的影響。(2).對于耗盡型FET：

UGS=EDR2/(R1+

R2)-IDRS此時：RS大Q點不會低。改進(jìn)型自給偏置電路ID=IDSS[1－(UGS/Up)]2（二）外加偏置電路：外加偏置電路對于增強(qiáng)型MOSFET:UGS=

0時：ID=0(1).此時靠外加偏壓：UGS=EDRL/(R1+

R2)(2).改進(jìn)型外加偏壓：UGS=EDRL/(R1+

R2)-IDRS對于JFET,須保證|US|>|US|時，放大器具有正確的偏壓。耗盡型以自給偏壓為主二三種基本放大電路結(jié)型共源放大器電路電壓增益為:1.未接CS時:等效電路如圖:一般rds>>

RDRL>>RS;rds可忽略.（一）共源組態(tài)基本放大器放大器的輸入電阻為:放大器的輸出電阻為:ri’=RG+(R1//R2)RGro’RD2.接入CS時:Ugs-gmUgsrds

+-Uo+GUiRDRLR1RGR2SDri'ro'AU

-gmRD’ri’=RG+(R1//R2)RGro’=RD//rdsRD結(jié)型共漏放大器電路電壓增益為:其等效電路如圖:（二）共漏組態(tài)基本放大器共漏放大器電路如圖:ri’=

RG輸入電阻為:式中:Rs’=rds//Rs//RLRs//RL>>1求輸入電阻:1.畫等效電路：令Ui=0、RL開路；在輸出端加測試電壓Uot2.求輸入電阻:Ugs=-Uot;Iot=Uot(1/Rs+gm)根據(jù)輸出電阻的定義：ro'

=Uot/Iot=Rs//

（1/

gm）（三）共柵組態(tài)基本放大器其等效電路如圖: