模擬電子技術(shù)0CH05教材

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5.0場(chǎng)效應(yīng)管分類1基本要求·了解MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性曲線及主要參數(shù)·掌握用小信號(hào)模型分析法分析MOSFET放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)·了解雙極型三極管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)管兩種放大電路各自的特點(diǎn)5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路主要內(nèi)容·金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及工作原理·MOSFET放大電路2三端放大器件雙極結(jié)型三極管BJT（BipolarJunctionTransistor)電流控制電流雙極型器件，兩種載流子參與導(dǎo)電場(chǎng)效應(yīng)管FET（FieldEffectTransistor)電壓控制電流單極型器件，僅多子導(dǎo)電同路控制器件旁路控制器件本章節(jié)是對(duì)三端放大器件的總結(jié)復(fù)習(xí)3耗盡型（D型）P溝道（空穴型）P溝道增強(qiáng)型（E型）N溝道（電子型）N溝道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)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類：在VDS作用下無iDP溝道N溝道耗盡型4JFET(JunctionFET）MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor)制造工藝簡單輸入阻抗大（適合做電路的輸入級(jí)）特點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好抗輻射能力強(qiáng)體積小重量輕耗電省壽命長噪聲低容易擊穿放大倍數(shù)小55.1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溝道長度調(diào)制效應(yīng)6主體結(jié)構(gòu)-襯底5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道為例）一塊P型半導(dǎo)體薄片參雜濃度較低電阻率較高N型區(qū)制作用光刻工藝擴(kuò)散對(duì)稱擴(kuò)散兩個(gè)N區(qū)高摻雜N+在N區(qū)以外三處生成材料SiO2生成薄膜絕緣層很薄7安置AL電極sd5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道為例）中間二氧化硅表面構(gòu)成柵極g兩邊N區(qū)構(gòu)成漏極d和源極s在中間二氧化硅下兩N+區(qū)之間溝道位置g結(jié)構(gòu)特點(diǎn)左右對(duì)稱兩個(gè)背靠背PN結(jié)同樣有三個(gè)電極85.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L0.5~10μm0.5~50μm40nm溝道參數(shù)：9105.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)D(Drain):漏極，相當(dāng)cG(Gate):柵極，相當(dāng)bS(Source):源極，相當(dāng)eB(Substrate):襯底符號(hào)的斷續(xù)代表無電連通箭頭向內(nèi)代表N溝道115.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0時(shí)無導(dǎo)電溝道，

d、s間加電壓時(shí)，無電流產(chǎn)生。（此時(shí)P溝道不能導(dǎo)電子流。）當(dāng)0<vGS

<VT時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒有電流產(chǎn)生。vGS加電壓該電壓加在二氧化硅板的兩端。電壓加在二氧化硅板的兩端。GSD125.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(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稱為開啟電壓GSD13通過vGS電壓（>VT)使二氧化硅極板下聚集電子要點(diǎn)：相當(dāng)與在一個(gè)N型半導(dǎo)體上加載電壓當(dāng)然會(huì)有電流通過。N型溝道與兩端N區(qū)連通當(dāng)兩端N區(qū)加載電壓時(shí)當(dāng)vGS電壓>VT時(shí)使二氧化硅極板下聚集電子形成一個(gè)N型溝道。14當(dāng)vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，電阻越小，同一DS電壓下形成的電流越大。152.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

d端極板兩端電場(chǎng)強(qiáng)度(VGD)減小當(dāng)vGS一定（vGS

>VT）時(shí)，但當(dāng)vDS

iD

vGD↓vGS一定在絕緣板下形成等厚度的溝道

d端附近的溝道厚度減少整個(gè)溝道呈楔形分布GSD16當(dāng)vGS一定（vGS

>VT）時(shí)，vDS

iD

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

=VT17預(yù)夾斷后，vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

iD基本不變2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用夾斷后d處形成反偏PN結(jié)，P區(qū)參雜小，耗盡層小，所以維持較大的恒定漏電流。VGS-VT是溝道裕量！-大好182.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。與BJT不同有多條曲線-變阻與BJT輸出曲線非常相似19小結(jié)：203.

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)特性方程特性曲線分三個(gè)區(qū)溝道夾斷截止區(qū)無-變阻區(qū)有沒夾斷飽和區(qū)有有夾斷213.

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)。223.

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）由于vDS較小，可近似為vDS和vGS都與iD成正比rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻-輸出電阻(在可變電阻區(qū)）VT

≤vGD兩者共同拉升id233.

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)（參量的獲?。?/p>

n：反型層中電子遷移率本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容243.

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）V-I特性：且預(yù)夾斷時(shí)：vDS=（vGS－VT）代入上式得：預(yù)夾斷后iD幾乎不變vGD

≤

VTiD和vDS無關(guān)FET的“直流β”溝道有且被夾斷因?yàn)榇藭r(shí)iD不變253.

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)）是vGS＝2VT時(shí)的iD263.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性由于柵極輸入無電流故無輸入伏安特性但有轉(zhuǎn)移特性：也可由輸出特性曲線圖中得出轉(zhuǎn)移特性可以由該公式得出表征輸入電壓對(duì)輸出電流的控制：273.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性由該公式得出也可由輸出特性曲線圖中得出與VDS無關(guān)的二次曲線，線性較好BJT有轉(zhuǎn)移特性嗎？28GSDR↓R↓VTiDVT

≤vGDVT=vGDVT

≥vGD截止iD飽和vGS控制溝道的產(chǎn)生，溝道產(chǎn)生后控制ID的大小vDS產(chǎn)生ID電流，在可變電阻區(qū)控制ID的大小，在飽和區(qū)幾乎與ID大小無關(guān)。vDS≥（vGS－VT）vDS

≤（vGS－VT）vDS

=（vGS－VT）295.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡述（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流自然感應(yīng)溝道，無需加偏置電壓30設(shè)此時(shí)電壓為VP-夾斷電壓VGS上升，溝道加寬VGS下降，溝道變窄VGS下降為負(fù)，溝道繼續(xù)變窄VGS下降為負(fù)到某值時(shí)，溝道夾斷同樣有截止，變阻和飽和三個(gè)區(qū)可以工作在VGS為負(fù)315.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）比較vGS=VT輸出特性上移，轉(zhuǎn)移特性右移IDSS是vGS=0時(shí)的iD值IDSS—飽和漏極電流325.1.3P溝道MOSFETP溝道MOSFET也有增強(qiáng)型和耗盡型兩種符號(hào)的箭頭方向朝外。電流電壓方向按照電流從高電位流向低電位的原則標(biāo)注VT為負(fù)VP為正iDiD低低更低更低更低更低33iDiD34橫坐標(biāo)下移縱坐標(biāo)左移35全用反向36P溝道增強(qiáng)型MOSFET-3ViD假設(shè)流入漏極可變電阻區(qū)

vGS

≤VT

vDS≥（vGS－VT）37飽和區(qū)

vGS

≤VT

vDS≤（vGS－VT）P溝道增強(qiáng)型MOSFET-3VKP是P溝道器件的電導(dǎo)參數(shù)385.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)飽和區(qū)的曲線并不是平的實(shí)際問題：飽和區(qū)的iD曲線隨著vDS增大而略有增大與溝道長度有關(guān)引入溝道長度調(diào)制參數(shù)λ修正后L的單位為

m-溝道長度表示iD仍受vDS的控制395.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)曲線應(yīng)該是一個(gè)直線上式表示一個(gè)什么曲線？對(duì)確定的FET應(yīng)該是一常數(shù)vDS控制iD的特性分析：405.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，

＝0，曲線是平坦的。

溝道越長，曲線越平曲線和vDS軸的交點(diǎn)應(yīng)該和輸出曲線是什么關(guān)系？部分重合放大倍數(shù)變小Kn小415.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)1.開啟電壓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→∞

飽和區(qū)曲線的斜率

425.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)表示柵源電壓對(duì)漏源電流的控制能力-放大能力轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜率單位：mS（毫西），

S（微西）單位vGS產(chǎn)生的iD大小435.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)考慮到則其中等同于BJT的gm，與交流β作用類似與vGS或iD成正比445.1.5MOSFET的主要參數(shù)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

455.2MOSFET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46同是三端放大器件，有類似的圖解特性MOSFET放大電路的分析方法：放大電路設(shè)計(jì)和分析方法與BJT一致合理的靜態(tài)工作點(diǎn)Q微變等效電路求AV、Ri、Ro圖解法本章是對(duì)三端放大器件分析方法的復(fù)習(xí)總結(jié)475.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）共源極放大電路直流通路485.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)由于Ig=0，故：組態(tài)判斷同BJT是否：要求出ID和VDS只能試探是否：495.2.1MOSFET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，則說明假設(shè)錯(cuò)誤再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即輸出回路方程50特性與BJT類似求解方法也類似飽和區(qū)可變電阻區(qū)輸出回路方程51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(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，52N溝道增強(qiáng)型MOS管電路靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算：1.假設(shè)MOS管電路工作在飽和區(qū)：則：2.使用飽和區(qū)的電壓-電流關(guān)系曲線分析靜態(tài)工作點(diǎn)：如果：確實(shí)滿足，電路工作在飽和區(qū)如果：不滿足3.再使用可變電阻區(qū)的電壓-電流關(guān)系曲線分析靜態(tài)工作點(diǎn)：電路應(yīng)該滿足工作在可變電阻區(qū)則：535.2.1MOSFET放大電路（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54解：設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則帶入已知條件：求出：流過Rg1、Rg2的電流是ID的1/10則：I155得取標(biāo)準(zhǔn)阻值：驗(yàn)證是否在飽和區(qū)：滿足56R的作用與BJT的Re作用相同：很多電路為了獲得較大的源極電阻常用電流源代替：負(fù)電源的作用是補(bǔ)償射極電阻或源極電阻上占用的壓降：保證放大輸出的動(dòng)態(tài)范圍電流源具有較大的內(nèi)阻，向電路提供有源負(fù)載負(fù)反饋-保證ID電流的穩(wěn)定。575.2.1MOSFET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=－

VGS（飽和區(qū)）是否滿足：求出：VGS58解：vi=0vg=0柵極無電流設(shè)FET管工作與飽和區(qū)有：求VGSQ，VDSQ，Rd59滿足故假設(shè)成立，電路工作在飽和區(qū)中由于求完電路參數(shù)，一定要判斷工作區(qū)域！605.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析工作在飽和區(qū)VDD足夠大RD的作用？沒有RD會(huì)怎么樣？VD＝VDD=VDS輸出是定值加RD輸出隨ID變化而變RD將ID的變化轉(zhuǎn)換成VDS的變化-即輸出61由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同設(shè)該放大系統(tǒng)工作在飽和區(qū)直流負(fù)載方程：62由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同設(shè)該放大系統(tǒng)工作在飽和區(qū)直流負(fù)載方程：635.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（肯定工作在飽和區(qū)）（1）模型靜態(tài)值（直流）動(dòng)態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng)當(dāng)，vgs<<2(VGSQ-VT)時(shí)，高次項(xiàng)會(huì)增加新的頻率分量交流和直流量分開由于有輸入與輸出量的關(guān)系式，可以此法求動(dòng)態(tài)關(guān)系645.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型

=0時(shí)高頻小信號(hào)模型65同樣也可以用雙端口的方法推導(dǎo)66解：先求靜態(tài)工作點(diǎn)：確認(rèn)工作于飽和區(qū)67由于gm小FET管的Av小共源極電路是反相放大負(fù)的放大倍數(shù)683.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s帶源極電阻電路分析693.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）s703.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s（除掉vgs）放大倍數(shù)在輸入電阻上的分壓71723.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏極電路分析733.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏注意共漏極時(shí)vGS的位置共漏同共集源極跟隨器電壓增益小于1近似等于1743.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析!757677787980818283*5.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路本小節(jié)不作教學(xué)要求，有興趣者自學(xué)end845.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)

5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法855.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)#

符號(hào)中的箭頭方向表示什么？柵極正向偏置時(shí)柵極電流方向862.工作原理①vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS＜0時(shí)（以N溝道JFET為例）當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。對(duì)于N溝道的JFET，VP<0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。

vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。vGS0V-1V-2V-3VVP872.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時(shí)，vDS

iD

g、d間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。當(dāng)vDS增加到使vGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

iD基本不變

882.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時(shí)，vDS

iD

g、d間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。當(dāng)vDS增加到使vGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

iD基本不變

892.工作原理（以N溝道JFET為例）③

vGS和vDS同時(shí)作用時(shí)當(dāng)VP<vGS<0時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對(duì)于同樣的vDS

，

iD的值比vGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處vGD=vGS-vDS

=VP90綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)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。JFET是電壓控制電流器件，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。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？

JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因此iG0，輸入電阻很高。915.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)2.