模电课件第五章

1、15.1 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5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路25.0 场效应管场效应管场效应管场效应管(Field Effect Transistor，简称，简称FET) BJT(三极管三极管)是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)。工作时，多数载流子和少数载流子都。工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以能耗大，温度特性差。参与运行，所以能耗大，温度特性差。 FE

2、T是一种电压控制器件是一种电压控制器件(vGS iD)。它。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它能耗小，上不需要信号源提供电流，所以它能耗小，输入电阻高，且温度稳定性好。输入电阻高，且温度稳定性好。3P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型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(IGFET)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

3、沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道5.0 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55.1.1 N沟道增强型MOSFET1. 结构（N沟道） P 型衬底 N N 绝缘体 二氧化硅绝缘层 （SiO2） 铝电极 （Al） 沟道 L W tox 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

4、缘层厚度 栅极 g 源极 s 漏极 d 通常通常 W L 65.1.1 N5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET剖面图剖面图1. 结构结构（N沟道）沟道）符号符号72. 工作原理（1）VGS对沟道的控制作用当VGS 0时d、s间加电压时，无电流产生。 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P 当VGS 0时产生电场产生电场 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P 5.1.1 N沟道增强型MOSFETDSDS之间相当于两之间相当于两个反偏的个反偏的PNPN结结ID=0自由电子浓度自由电子浓度增加增加无导电沟道无导电沟道未形

5、成导电沟道（感生沟未形成导电沟道（感生沟道），道），d、s间加电压后，没有电流产生。当VGS VT 时 在电场作用下产生导电产生导电沟道沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VGS越大，导电沟道越厚 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P 2. 工作原理（1）VGS对沟道的控制作用5.1.1 N沟道增强型MOSFET导电沟道相当于电阻将导电沟道相当于电阻将D-SD-S连接起来，连接起来，V VGSGS越大此电阻越小。越大此电阻越小。92. 工作原理（2）VDS对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d

6、处的电位升高处的电位升高 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VDD s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P 电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当V VGSGS一定（一定（V VGS GS V VT T ）时，）时，V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 iD O vDS 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布 VDD 电流电流I ID D是否会随着是否会随着V VDSDS的增加一直线性增长的增加一直线性增长？ A 10当当VGS一定（一定（VGS VT ）时，）时，VDS ID s g d B 衬衬底底引引线

7、线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VDD 沟道电位梯度沟道电位梯度 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VDD 当VDS增加到使VGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。 iD O vDS 预夹断点预夹断点 A 2. 2. 工作原理工作原理（2）VDS对沟道的控制作用在预夹断处：VGD=VGS-VDS =VT预夹断后，VDS 夹断区延长沟道电阻 ID基本不变 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VDD 夹夹断断区区 B 可变可变 电阻电阻区区 vDSVGSVT 饱和区饱和区 vDSVGSVT 112. 2. 工作原理工作原理（

8、3）VDS和VGS同时作用时 VDS一定，VGS变化时 s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VDD s g d B 衬衬底底引引线线 N N VGG 耗耗尽尽层层 P VDD iD O vDS vGS1VGS1VT vGS2=VGS2VT 预预夹夹断断点点 截止截止区区 vGS3VT 给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。12以上分析可知 沟道中只有沟道中只有一种载流子参与导电一种载流子参与导电，所以场效应管也称为单极，所以场效应管也称为单极型三极管型三极管。 MOSFET是是电压控制电流器件电压控制电流器件（VCCS），），iD受受vGS控制。

9、控制。 预夹断前预夹断前iD与与vDS呈呈近似线性关系近似线性关系；预夹断后，；预夹断后，iD趋于趋于饱和。饱和。 MOSFET的栅极是的栅极是绝缘的绝缘的，所以，所以iG 0，输入电阻很高。输入电阻很高。 只有当只有当VGSVT时，增强型时，增强型MOSFET的的d、s间才能导通。间才能导通。MOSFETMOSFET与与BJTBJT有什么不同？有什么不同？MOSFET只有一种载流子参与导电，而只有一种载流子参与导电，而BJT有两种载流子参与导电有两种载流子参与导电MOSFET比比BJT输入电阻大输入电阻大MOSFET是是VCCS,BJT是是CCCS133. V-I 特性曲线及大信号特性方程特

10、性曲线及大信号特性方程（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 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。没有导电沟道没有导电沟道 iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vDS/V 可变电阻可变电阻区区 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVT(或或 vGDvGSvDSVT) 7V 6V 5V 4V vGS3V 饱和饱和区区 截止截止区区 143. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大

11、信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )( DSDSTGSnD22vvv VKi n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2 iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vDS/V 可变电阻可变电阻区区 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVT(或或 vGDvGSvDSVT) 7V 6V 5V 4V vGS3V 饱和饱和区区 截止截止区

12、区 const.DSDGS)( vvfi有导电沟道且沟道未被夹断有导电沟道且沟道未被夹断153. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（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由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsovvdidr)(TGSnVK v21rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 )( DSDSTGSnD22vvv VKi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vDS/V 可变电阻可变电阻区区 预夹断临界点轨迹

13、预夹断临界点轨迹 vDSvGSVT(或或 vGDvGSvDSVT) 7V 6V 5V 4V vGS3V 饱和饱和区区 截止截止区区 const.DSDGS)( vvfi163. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（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 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V- -I I 特性：特性

14、：导电沟道被夹断以后导电沟道被夹断以后此时场效应管的此时场效应管的V-IV-I特性方程是怎样的？特性方程是怎样的？ iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vDS/V 可变电阻可变电阻区区 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVT(或或 vGDvGSvDSVT) 7V 6V 5V 4V vGS3V 饱和饱和区区 截止截止区区 )( DSDSTGSnD22vvv VKi173. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv iD/mA 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7

15、 vGS/V A B C D E VT vDS10V 为什么不考虑输入特性曲线？为什么不考虑输入特性曲线？ iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vDS/V 可变电阻可变电阻区区 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVT(或或 vGDvGSvDSVT) 7V 6V 5V 4V vGS3V 饱和饱和区区 截止截止区区 ABCDE185.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理（N N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 19vGS0时，沟道变宽vGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截

16、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 DSTGSnD VV)(2VKI33设设Rd=15k，VZ=3V, VDD=5V， VT=1V，Kn=0.2mA/V2, 求静态工作点（2） Rg1=45k，Rg2=5k , （3） Rg1=70k，Rg2=30k , VDD+-vi+-voVz（1） Rg1=60k，Rg2=40k , 解：（解：（1 1）先求）先求V VGSGS： （4） Rg1=30k，Rg2=30k , 假设工作在饱和区假设工作在饱和区mA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2

17、. 0(5dDDDDSQ RIVV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。TVVRRRVVV DDg2g1g2GSQ2540604034VDD+-vi+-voVz（2 2） Rg1=45k ，Rg2=5k , 0DIVVDSQ5TgggDDGSVVRRRVV513070305212.mAVVKITGSnD0502.)(TGSdDDDDSQVVVRIVV254.（3 3） Rg1=70k ，Rg2=30k , 截止区截止区所以工作于饱和区所以工作于饱和区V VDSQDSQ=3V=3V如果如果 Rg1=30k ，Rg2=30k ,结果又如何？结果又如何？ 假设

18、工作于饱和区假设工作于饱和区TgggDDGSVVRRRVV5054555212.TGSQzDSQVVVVVVDSQ335VDD+-vi+-voVz（4 4） Rg1=30k ，Rg2=30k , TgggDDGSVVRRRVV52212.TGSDSVVVV5 . 0mAVVKITGSnD4502.)(TGSdDDDDSQVVVRIVV251.假设工作于饱和区假设工作于饱和区假设不合理，设工作于可变电阻区假设不合理，设工作于可变电阻区DSTGSnDVVVKI)(2dDDDDSRIVV故工作于可变电阻区，故工作于可变电阻区，VDSQ=0.5V365.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 1.

19、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）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 )(dDDDDSRRIVVVSS)(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 375.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 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） 求出VGSVDS VDD ID

20、RD VS（3）电流源偏置的）电流源偏置的NMOS共源极放大电路共源极放大电路385.2.1 MOSFET放大电路放大电路2. 2. 图解分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 iD VDD/RD vDSvGSVT 0 VDD vDS vivGSVGGQiD0tvDS0tIDQidVDSQvds393.3.小信号模型分析小信号模型分析（1 1）模型（微变等效电路）模型（微变等效电路）（2）放大电路分析）放大电路分析共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路40),(DSGSDvvfi DSVDSDGSVGSDDvvivviiG

21、SDSDSdsGSmvrvg1DSVGSDmvig互导互导GSVDDSdsivr漏极输出电阻漏极输出电阻vGSiDvDS5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析（1）模型）模型gsddsdsgsmdsvrvgv141很大，很大，可忽略。可忽略。 =0=0时时（1 1）模型（微变等效电路）模型（微变等效电路）3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析高频小信号模型高频小信号模型dsdsgsmdsvrvgv1423. 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 VV7

22、5. 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）433. 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（例（例5.2.5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvv取取id所在回路所在回路取取vgs所在回路所在回路443. 3. 小信号模型分析小信号模型分析（2 2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.65.2.6）)/()/)(dsgsmg

23、sdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏453. 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 v46LgsmgsLgsmiouRVgVRVgVVA11LmLmRgRgiVoVgsVgsmVgdIriro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路（3）共漏极放大电路）共漏极放大电路vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2

24、G3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析47riRL21/ RRRrGi输入电阻输入电阻 r ri iIdImgsmgsdTogVgVIVr1SooRrr/输出电阻输出电阻 r ro ogsVgsmVgTVgR2R1RGsdRS微变等效电路微变等效电路 ro ro48场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1) (1) 场效应管放大器输入电阻很大。场效应管放大器输入电阻很大。(2) (2) 场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器( (漏极输出漏极输出) )输入输出反输入输出反相，电压放大倍数大于相，电压放大倍数大于1 1；输出电阻；输出电阻= =R RD D。(3) (3) 场效应管源极

25、跟随器输入输出同相，电压放大场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于倍数小于1 1且约等于且约等于1 1；输出电阻小。；输出电阻小。49例：例：设设 g gm m=3mA/V=3mA/V， =50=50，场效应管，场效应管 =0=0前级前级: :场效应管场效应管 共源极放大器共源极放大器后级后级: :晶体管晶体管 共射极放大器共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。+VCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21MSViVoV50（1

26、1）估算各级静态工作点）估算各级静态工作点: :（2 2）动态分析）动态分析: : 微变等效电路微变等效电路ir2iror首先计算第二级的输入电阻：首先计算第二级的输入电阻： ri2= R3/ R4/ rbe=82/43/1.64=1.64 k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegsVdIsVoVcIbIgdsiVk64. 126)1 (200EQbeImVr51第二步：计算各级电压放大倍数第二步：计算各级电压放大倍数24641103211.)./()/(iDmLmvrRgRgA1526411010502.)/(/beLCbeLvrRRrRAR3R4RCRLRSR2R1RDrbegsVdI

27、sVoVcIbIgdsiV52第三步：计算输入电阻、输出电阻第三步：计算输入电阻、输出电阻ri=R1/R2=3/1=0.75M ro=RC=10k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegsVdIsVoVcIbIgdsiViror53第四步：计算总电压放大倍数第四步：计算总电压放大倍数Av=Av1Av2 =(-4.2) (-152) =638.4622750207504 .638iSivvsrRrAAR3R4RCRLRSR2R1RDrbegsVdIsVoVcIbIgdsiV545.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路（CMOS共源放大电路）不作要求不作要求end55N基底基底 ：N型半导体

28、型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极一、结构一、结构导电沟道导电沟道5.3 结型场效应管结型场效应管剖面图剖面图56NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS一、结构一、结构PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极DGSP沟道结型场效应管沟道结型场效应管57二、工作原理（以二、工作原理（以P沟道为例）沟道为例）VDS=0V时时PGSDVDSVGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，VGS越越大则耗尽区越宽，大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。导电沟道越窄。1、 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS较小时，耗尽区宽度较小时，耗尽区宽度有限，