电子技术基础(模拟部分)第五章

1、 场效应管场效应管 BJT是一种是一种电流控制器件电流控制器件(iB iC)，工作时，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件双极型器件。 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种）是一种电压控制器件电压控制器件(vGS iD) ，工作时，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。输入电阻极高等优点，得到了广泛

2、应用。P沟道沟道耗尽型耗尽型（D型）型）P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型（E型）型）N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N

3、沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构结构（N沟道）沟道）L ：沟道长度：沟道长度W ：沟道宽度：沟道宽度tox ：绝缘层厚度：绝缘层厚度5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构结构（N沟道）沟道） 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称，简称MOSFET。分为：。分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道1. N沟道增强型沟道增强型MOS管管结构

4、结构 （4个电极）个电极） 漏极漏极d，源极，源极s， 栅极栅极g， 衬底衬底b。-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底-gsdb符号符号MOSFET结构动画演示结构动画演示5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理当当vDS=0且且vGS0V时时g、b间存在纵向电场间存在纵向电场将靠近栅极下方的将靠近栅极下方的空穴向下排斥，留下带负电的离子空穴向下排斥，留下带负电的离子形成耗尽层形成耗尽层。当当vGS=0V时，漏源之间相当两个时，漏源之间相当两个背靠背的背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。压也不会形成电流，即管子截止

5、。 再增加再增加vGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟形成导电沟道（反型层、感生沟道），如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流道（反型层、感生沟道），如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。栅源电压栅源电压vGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid注意注意：由于有：由于有SiO2绝缘层，故栅极电流为绝缘层，故栅极电流为0。定义：定义： 开启电压开启电压（VT）刚刚产生沟道所需的栅刚刚产生沟道所需的栅源电压源电压VGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特

6、性： vGS VT ，管子截止，管子截止， vGS VT ，管子导通。，管子导通。 vGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，作用下，漏极电流漏极电流ID越大。越大。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用当当vGSVT，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设VT=2V，vGS=4V） （a）vDS=0时，时， iD=0。（b）vDS iD；同时沟道靠漏区变窄；同时沟道靠漏区

7、变窄。（c）当）当vDS增加到使增加到使vGDvGSvDSVT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。断。（d）vDS再增加，预夹断区加长，再增加，预夹断区加长， vDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上， iD基本不变。基本不变。-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid-二氧化硅NisdNVb+DDdVP衬底GGg-GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg2. 工作原理工作原理MOSFET结构动画演示结构动画演示3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信

8、号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区(预夹断前预夹断前) vGSVT, vDSVT, vDS(vGS-VT) 。 （c）夹断区（截止区）夹断区（截止区）vGSVVp p时的漏极电流（耗尽型参数）时的漏极电流（耗尽型参数）4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS ，在漏源之间短路时测得（在漏源之间短路时测得（10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出电阻输出电阻r rdsds GSDDSdsVir v当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效

9、应时， 0 0，rdsds 说明说明vDSDS了对了对i iD D的影响。是输出特性某一点上的影响。是输出特性某一点上切线斜率的倒数。切线斜率的倒数。 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2. 2. 低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，单位的控制能力，单位 S(西门子西门子)。一般为几毫西一般为几毫西 (mS)。相当于转移特性上工作点的斜。相当于转移特性上工作点的斜率。是表征率。是表征FET放大能力的一个重要参数。放大能力的一个重要参数。5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数三、极限参数三、极

10、限参数 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 5.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2. 图解分析图解分析3. 小信号模型分析小信号模型分析5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）直流通路

11、直流通路共源极放大电路共源极放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTG

12、SnD )(vvVKI 2假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流

13、偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV)(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI （饱和区）（饱和区） 书上128页例题5.2.1 MOSFET放大电路放大电路2. 图解分

14、析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK （1）模型）模型DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型

15、分析小信号模型分析（1）模型）模型DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 0 0时时高频小信号模型高频小信号模型3. 小信号模型分析小信号模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）s3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g

16、1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.6）)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析g2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grRgrRiR v5.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3

17、.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET漏极漏极源极源极栅极栅极结型场效应管结构动画演示结型场效应管结构动画演示2. 工作原理（以工作原理（以N沟道为例）沟道为例）正常工作条件（正常工作条件（N N沟道）：沟道）：栅栅源之间加负向电压源之间加负向电压（vGS0 ）,以形成漏极电流以形成漏极电流 iD。场效应管通过栅场效应管通过栅源电压源电压vGS和漏和漏源电压源电压vDS对导电沟道对导电沟道的影响来实现

18、对的影响来实现对iD的控制，从而实现其放大（控制）的功能。的控制，从而实现其放大（控制）的功能。5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理s5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理NgduGS工作原理：工作原理：当当vDS=0（d、s短路）时，短路）时，vGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用PPsvDS=0且且vGS=0，耗尽层很窄，导电，耗尽层很窄，导电沟道很宽。沟道很宽。|vGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大。窄，沟道电阻增大。|vGS|增大到某一数值时，耗尽层闭增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷合

19、，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，称此时大，称此时vGS的值为的值为夹断电压夹断电压UGS(off)。5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理NgduGSsuDS当当vGS为某一固定值（为某一固定值（VT 0 ）时，）时，vDS对漏极电流对漏极电流iD的影响。的影响。PPvGS为某一固定值（为某一固定值（VT 0 ），存在由），存在由vGS所确定的一定宽度的沟道。若所确定的一定宽度的沟道。若vDS=0，此时由于，此时由于ds间电压为零，间电压为零，沟道中的载流子不会产生定向移动，沟道中的载流子不会产生定向移动，故电流故电流iD=0。若若vDS0，则有电流，则有电流iD从漏极流向源从漏

20、极流向源极，此时沟道中各点与栅极间的电压极，此时沟道中各点与栅极间的电压不等（从源极到漏极逐渐增大），耗不等（从源极到漏极逐渐增大），耗尽层宽度不一（尽层宽度不一（沟道上窄下宽，呈楔沟道上窄下宽，呈楔型型）。）。NgduGSsuDSPP由于栅由于栅漏电压漏电压vGD=vGS-vDS，所以的，所以的当当vDS从零逐渐增大时，从零逐渐增大时，vGD逐渐减小，逐渐减小，靠近漏极一侧的导电沟道必将随之变靠近漏极一侧的导电沟道必将随之变窄。但只要栅窄。但只要栅漏间不出现夹断区域，漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍取决于栅沟道电阻仍取决于栅源电压（源电压（vGS），），故故电流电流iD将随将随vDS的变化近似

21、线性变化的变化近似线性变化。一旦一旦vDS的增大使的增大使vGDVT，则漏极一，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，称边的耗尽层就会出现夹断区，称vGDVT为为预夹断预夹断。5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理NgduGSsuDSPP预夹断后，若预夹断后，若vDS继续增大，继续增大，vGDVT，耗尽，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长。层闭合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长。 一方面，自由电子从一方面，自由电子从源极向漏极源极向漏极定向定向移动所受阻力加大（从夹断区窄缝高速通移动所受阻力加大（从夹断区窄缝高速通过），从而

22、导致过），从而导致iD减小；减小；另一方面，随着另一方面，随着vDS的增大，的增大，ds间间的电场增强，使的电场增强，使iD增大。增大。二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，vDS增大，增大，iD近似不变，即近似不变，即iD仅仅取决于仅仅取决于vGS，表现出表现出iD的恒流特性的恒流特性。当当vGDVT 时，时，vGS对漏极电流对漏极电流iD的控制。的控制。在在vGD=vGS-vDSvGS-VT的情的情况下，当况下，当vDS为一常量时，对应于确定的为一常量时，对应于确定的vGS，就有确定的就有确定的iD。此时通过改变。此时通过改变vGS就可以控就可以控制制iD的大

23、小，这就是场效应管的控制作用。的大小，这就是场效应管的控制作用。场效应管控制作用体现在场效应管控制作用体现在漏极电流受漏极电流受栅栅源电压的控制源电压的控制，故场效应管为，故场效应管为电压控制电压控制器件器件，体现其控制作用的参数为，体现其控制作用的参数为gm（低频（低频跨导）跨导）。GSDmuigNgdvGSsvDSPP结型场效应管工作原理动画演示结型场效应管工作原理动画演示5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理小结：小结：在在vGD=vGS - vDSVT的情况下，即当的情况下，即当vDSvGS - VT (即即gd间未出现夹断间未出现夹断) 时，对应于不同的时，对应于不同的

24、vGS，ds间等效为不间等效为不同阻值的电阻；同阻值的电阻；当当vDS使使vGD=VT时，时，ds间出现预夹断；间出现预夹断；当当vDS使使vGDvGSVp，即，即vGDVp时，各曲线近似一组横轴的平行线。时，各曲线近似一组横轴的平行线。当当vDS增大时，增大时，iD几乎不变，因而可将几乎不变，因而可将iD近似为近似为vGS控制的电流源。该区为控制的电流源。该区为场效应管作放大管时的工作区。场效应管作放大管时的工作区。夹断区夹断区：当：当vGSVp时，导电沟道被时，导电沟道被夹断，夹断，iD0，无电流。，无电流。击穿区击穿区：vDS过大，管子击穿。过大，管子击穿。输出特性曲线动画演示输出特性曲线动画演示1. 输出特性输出特性 2.