第四章-MOSFET及其放大電路

1第四章

MOSFET及其放大電路場效應三極管中參與導電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結型場效應管(JFET)金屬-氧化物-半導體場效應管MOSFET增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道概述FET特點：

輸入電阻高，一般為1兆歐到幾百兆歐。工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。

比BJT更具有溫度穩(wěn)定性，廣泛應用于計算機電路。

場效應管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。圖4.1MOSFET的符號虛線表示溝道在施加外電壓后才形成－增強型實線表示溝道在施加外電壓前就存在－耗盡型箭頭朝里表示N溝道箭頭朝外表示P溝道4.1N溝道增強型MOSFET的結構和工作原理4.1.1結構－

N溝道增強型MOSFET的結構耗盡層高摻雜SiO2絕緣層襯底1.四個極均未加電壓時兩個PN結，即使在漏極和源極之間施加電壓，它們之間也不會產(chǎn)生電流。4.1.2工作原理P型襯底N+SGDBN+P型襯底N+SGDBN+N型溝道VGG2.導電溝道的形成假設VDS=0，同時VGS

>0

在柵極和襯底之間施加的電壓VGB>0，形成自上而下的電場，該電場隨電壓的增大而加強。在電場的作用下，P區(qū)中的多子（空穴）向襯底下部移動，少子（電子）被吸引到G極并在sio2表面積累。若增大VGS

，則電子積累得越多，直到感應的電子能在漏極和源極之間形成可測電流（即VGS增加到足夠大），此時N型導電溝道形成，又稱反型層。VTN稱為門限電壓當VGS>VTN時形成導電溝道。導電溝道隨VGS

增大而增寬。由于VGS=0時不存在溝道，需依靠柵極與源極（襯底）之間的正向偏置電壓來“增強”，形成“感應電荷”，所以這種場效應管稱為增強型的MOSFET。3.VDS對導電溝道的影響VGS為某一個大于VTN的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，有電流ID

產(chǎn)生。P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對導電溝道的影響ID①當VDS很?。◣装賛V以內(nèi)）時，溝道的厚度在整個溝道上基本不變，漏極電流iD隨VDS的增加而增大。3.VDS對導電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對導電溝道的影響②隨著VDS的增大，氧化物下部靠近漏極端的電壓降低（∵VGS不變，∴VGD=VGS-VDS變?。?，即靠近漏極端的溝道變窄（溝道在此處的導電能力下降，從而導致iD關于VDS的特性曲線的斜率降低），但漏極電流iD依然隨VDS的增加而增大。溝道的性質(zhì)類似于可變電阻的性質(zhì)，故稱該區(qū)域為可變電阻區(qū)。3.VDS對導電溝道的影響P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對導電溝道的影響③當VDS增大到使VGD=VTN時（即VDS=VDS（sat）時)，

靠近漏極端的反型層電荷密度為0，溝道處于預夾斷狀態(tài)，iD達到臨界飽和狀態(tài)。P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對導電溝道的影響P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對導電溝道的影響UDS對導電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDD④當

隨著

繼續(xù)增大，溝道處于部分夾斷狀態(tài)漏極電流

基本保持不變，此時，場效應管工作在不再隨的增加而增加）或放大區(qū)。3.VDS對導電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDD飽和區(qū)（即達到了飽和uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻圖4.5導電溝道形成過程轉移特性曲線IDOVTN2VTN預夾斷軌跡電阻區(qū)放大區(qū)ID/mAVDS/VOUGS/VID/mAO截止區(qū)VGS=6VVGS=5VVGS=4VVGS=3V=VTNVGS=7V4.1.3特性曲線開啟電壓輸出特性曲線4.1.4電流—電壓關系1、電阻區(qū)：

放大區(qū)：

為N溝道元件的傳導參數(shù)。(4.2)(4.3)2、跨導

gm設MOSFET工作于放大區(qū)種類符號轉移特性漏極特性MOSFET增強型N溝道MOSFET增強型P溝道SGDBvGSiDOVTN+VGS=VTNvDSiD+++OiDvGSVTNO_iDVGS=VTNvDS_o_SGDBID第四章

MOSFET及其放大電路一、場效應管靜態(tài)工作點的設置方法

根據(jù)場效應管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間加極性合適的電源1.基本共源放大電路4.2MOSFET的偏置電路2.分壓式偏置電路為什么加Rg3?其數(shù)值應大些小些？即典型的Q點穩(wěn)定電路[分析指南]MOSFET電路的直流分析求VGS，VGS>VTN?假設工作在放大區(qū)ID=Kn(VGS-VTN)2假設工作在電阻區(qū)ID=Kn[2(VGS-VTN)VDS-VDS2]工作在截止區(qū)VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失敗VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失敗是否是是否否二、場效應管工作狀態(tài)分析[例4.2]目的：計算N溝道增強型MOSFET共源極電路的漏極電流和漏源電壓。

電路如4.8所示。設R1=30kΩ，R2=20kΩ，RD=20kΩ，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.1mA/V2。求ID和VDS。解：=×5=2V>VTN假設場效應管處于放大狀態(tài)，則：=0.1×(2-1)=0.1mA=5-0.1×20=3V因為2-1=1V,所以假設成立，即場效應管確實處于放大狀態(tài)，上述分析是正確的。說明：如果不滿足漏極電流的計算要采用公式：，則場效應管處于電阻區(qū)，[例4.3]目的：計算N溝道增強型MOSFET的柵源電壓、漏源電流和漏源電壓。電路如圖4.9所示。場效應管的參數(shù)為VTN=1V，Kn=0.5mA/V2。求VGS、ID和VDS。

RS的作用－穩(wěn)定靜態(tài)工作點圖4.9帶源極電阻的直流偏置電路假設場效應管處于放大區(qū)，則：即假設成立，場效應管處于放大區(qū)。另兩種假設（電阻區(qū)或截止區(qū)）導致無解。解：由上兩式可得：VGS=2.65V或VGS=-2.65V(舍去）

ID=1.35mA第四章

MOSFET及其放大電路4.3MOSFET放大電路的交流電路單級MOSFET放大器的三種基本組態(tài)：共源極放大電路共漏極放大電路共柵極放大電路增強型負載4.3.1MOSFET放大電路的線性化分析原理

圖4.16MOSFET的轉移特性圖4.17共源極電路

圖4.18輸入輸出電壓信號波形

直流負載線臨界飽和線vDS=vGS-VTN=vDS（sat）1．跨導

gm設MOSFET工作于放大區(qū)4.3.2MOSFET放大電路線性化模型的交流參數(shù)若則=IDQ令則跨導也可以通過求微分得到:注：跨導gm與靜態(tài)工作點有關。2.交流輸出電阻rds

MOSFET工作于放大區(qū)時，漏極電流iD與漏源電壓vDS無關?

實際MOSFET的iD-vDS特性曲線在放大區(qū)的斜率不為零。當vDS>vds(sat)時，出現(xiàn)溝道長度調(diào)制。類似于BJT的基區(qū)寬調(diào)效應。對N溝道增強型MOSFET，這種傾斜現(xiàn)象可以用下式校正：如何確定λ－溝道長度調(diào)制參數(shù)？所有曲線的反向延長線都與電壓軸相交于vDS=-VA處，電壓VA為正，它與雙極型晶體管的Early電壓相似。令iD=0可得λ＝1/VA。4.3.3MOSFET放大電路的交流小信號線性模型圖4.20N溝道增強型MOSFET的放大區(qū)交流小信號線性模型[例4.9]目的：確定MOSFET的小信號電壓增益。電路如圖4.17所示。設VGSQ=2.12V，VDD=5V，RD=2.5kΩ。場效應管參數(shù)為VTN=1V，Kn=0.80mA/V，λ=0.02V-1。該場效應管工作于放大區(qū)。求AV=vo/vi。解題思路：求IDQ求交流參數(shù)gm和rDS畫交流小信號等效電路求AV、Ri、Ro等解：=0.8×(2.12-1)=1.0mA

=5-1×2.5=2.5V

因此

2.5V=2.12-1=1.12V

場效應管確實工作于放大區(qū)。

跨導

＝2×0.8×(2.12-1)=1.79mA/V

輸出電阻

K

由圖4.21可求得輸出電壓為

∥由于

，所以小信號電壓增益為

=∥=-1.79×(50∥2.5)=-4.26

說明：由于MOSFET的跨導較小，因此與雙極型晶體管放大電路相比，MOSFET放大電路的小信號電壓增益也較小。小信號電壓增益為負，表明輸出電壓與輸入電壓的相位相差180°，即反相。第四章

MOSFET及其放大電路4.3/4.4MOSFET放大電路的三種基本組態(tài)共源極放大電路共漏極放大電路共柵極放大電路場效應管放大電路的動態(tài)分析近似分析