模拟电子技术 第5章

1、第五章 场效应管放大器主要内容场效应管的分类金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）场效应管的基本概念与BJT对照 场效应晶体管(FET)是一种利用电场控制电流的半导体器件， BJT为电流控制电流的半导体器件； FET有3个电极：栅极(g)、源极(s)与漏极(d)，分别对应BJT的 基极(b)、发射极(e)与集电极(c)； FET只有一种载流子（电子或空穴）参与导电，属单极型半导 体；而BJT有2种载流子参与导电，为双极型； FET放大电路也有3种组态形式：共栅极、共源极与共漏极放 大电路，分别对应BJT的共基、共射与共集电极放大电路。P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽

2、型）FET场效应管JFETMOSFET(IGFET)场效应管的分类：MOSFET：金属氧化物场效应管，门极与源极、门极与漏极之间有一层氧化物绝缘层，也称为绝缘栅极场效应管(IGFET)增强型：场效应管栅极没有加偏置电压时，没有导电沟道，D-S处于高阻状态耗尽型：场效应管栅极没有加偏置电压时，也存在导电沟道， D-S处于低阻状态N沟道：导电沟道为N形半导体P沟道：导电沟道为P形半导体 5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 （MOSFET）MOSFET主要特点： 门极与源极、门极与漏极之间有一层氧化物绝缘层，因而栅极输入电阻很大，高达1015，输入电流很小，也称为绝缘栅极场效应管(IGFET)sg

3、d衬底引线源极栅极漏极二氧化硅铝N+N+P型硅衬底(a)dgs衬底(b)一、N沟道增强型绝缘栅场效应管1. 结构与符号少量杂质的P型半导体g和s、d 均无电的接触， 因而叫绝缘栅绝缘层在vGS = 0，不存在导电沟道虚线表示为增强型沟道箭头方向由P（衬底）指向N（沟道）高浓度杂质的N+型半导体高浓度杂质的N+型半导体衬底PN结sgd二氧化硅铝N+N+P2. 工作原理VDD(1) vGS=0时，加入VDD iD=0，s-d之间为高阻态此时，源极、衬底与漏极存在2个PN结，总有一个PN结反偏；此时若s与衬底相连，则D与衬底间PN结亦是反偏。sgdN+N+PVDDVGG(2)vGS0时vGS到vGS

4、VT，聚集在半导体表面的电子将s与d连起来，形成N导电沟道，称为N型感生沟道，s-d之间为低阻态。 VT称为开启电压；N型(感生)沟道 在电场作用下，靠近g的空穴被排斥，而电子被吸引，因而电子聚集到靠近g的半 导体表面； g-P之间相当于电容器，在 vGS作用下，产生电场；vGS越大，产生的感生沟道越厚，s-d之间电阻越低。sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)沟道iD迅速增大(3) vGSVT,加入VDSvDS=0 iD=0 vDS， iD 同时由于电场分布不均匀，导致沟道厚度的不均匀，靠d一侧窄，靠s-侧宽，成楔形；沟道形状的变化，导致s-d间的电阻也发生变化；因而这段工作区域称为可变电

5、阻区。vDS越大，靠d一侧越窄sgdN+N+PVDDVGGiD饱和夹断区vDS ，当vDS = vGS VT时,靠d端被夹断vDS， vDS vGS VT时,夹断区iD饱和在饱和区，即使vDS继续增加， iD基本不会发生变化由于在饱和区，vDS不能控制iD，要增大iD，须增大vGS，使沟道加宽；要减小iD，须减小vGS，使沟道变窄；因此，漏极电流iD 受栅源电压vGS的控制，是电压控制电流的器件。（1）NMOS输出特性及大信号特性方程 截止区3. 特性曲线当vGSVT时，导电沟道没有形成，iD0，为截止工作状态，s-d间高阻态。 可变电阻区rdso是一个受vGS控制的可变电阻 为本征电导因子其

6、中，为电导常数，单位：mA/V2n ：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vDS（vGSVT）d-s之间为可变电阻状态 饱和区（恒流区又称放大区）vGS VT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT时的iD V-I 特性：饱和条件（2）转移特性（3）沟道长度调制 理想情况下，输出特性曲线在饱和区与横轴平行，工作电流iD只与vGS有关而与vDS无关，即： 而实际的情况下，输出特性曲线在饱和区会轻微向上倾斜， 也就是说，电压vDS对工作电流iD有轻微的影响。与vGS有关而与，即：工程上，一般采用沟道长度调制参数进行修正，即：小结：N型MOSFET的三个区域截止区：条件：v

7、GSVT， 特点：工作电流iD=0；vDS（vGSVT）d-s之间为可变电阻状态，iD与vDS 与vGS都有关；特点：饱和区: 条件： vGSVT，vDS（vGSVT）特点： iD只与vGS有关，可变电阻区：条件：vGSVT，二、 N沟道耗尽型MOSFET1. 结构与符号gds衬底(b)+ + + + + +sgd衬底引线N+N+N型沟道P(a)在绝缘层sio2里掺杂大量正离子，正离子的作用使得即使在vgs=0时，在靠近g的边缘产生连接源区与d区的N型沟道。耗尽型N沟道衬底PN结2. 工作原理vGS沟道 iD0存在vDS0，就有iD0变宽 VP，且vDS（vGSVP）使得耗尽型MOSFET的导

8、电沟道刚好消失（截止）的门极电压值VP消失 截止3. 特性曲线vGS(V)VPiDO(a)转移特性IDSSvDS(V)iDO0.4vGS0(V)0.20.2(b)输出特性耗尽型NMOS的电流方程同增强型电流方程，不同的是要用VP替代VT三、 P沟道MOSFETP沟道MOSFET(简称PMOS管)与N沟道MOSFET(简称PMOS管)类似，不同的是电压极性与NMOS相反，符号也与NMOS类似，但箭头方向指向衬底P。耗尽型P沟道衬底PN结增强型P沟道衬底PN结四、MOSFET主要参数 夹断电压VP测试时，令vDS =10V。iD=20A。此时的vGS =VP 饱和漏电流 IDSSvGS = 0时，

9、vDS = 10V时的iD。1、直流参数 开启电压VT增强型MOS管参数，能够导通的栅极门槛电压值测试时，令vDS =10V。iD=50A，此时的vGS耗尽型MOS管参数，完全关断的栅极门槛电压值 跨导gm是衡量vGS对iD控制作用的参数，也是表征管子放大能力的参数，其值约在0.1ms10ms内。转移特性曲线工作点上之斜率。因而，在Q点有：2、交流参数 输出电阻 rd反映vDS对iD影响的指标理想情况下，为无穷大；考虑沟道调制的影响，其值很大，几十K几百K。3、极限参数（略）一、 直流偏置及静态工作点的计算1、简单的共源极放大电路（NMOS）共源极放大电路直流通路 5.2 MOSFET放大电路

10、（2）假设工作在饱和区，即：验证是否满足（3）如果不满足，则说明假设错误必须满足VGS VT ，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即（1）求VGS求得，假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路假设工作在饱和区，得到：需要验证是否满足功能类似与射极偏置电阻不满足的话，按可变电阻区计算。静态时，vI0，VG 0，ID I电流源偏置 VS VG VGS （饱和区） （3）带电流源偏置的NMOS共源极放大电路VDS VD

11、D IDRd- VS 二、图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同，带交流负载时，必须使用交流负载线； 三、 小信号模型分析1、模型推导静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项 当，vgsVp可变电阻区饱和区 P型JFET与N型JFET类似，不同的是Vgs极性相反 可变区：0VgsVp, VdsVgs-Vp 饱和区：0VgsVp, VdsVgs-Vp 小结（一） ：4种MOSFET的特点夹断电压VT小于0；饱和条件：vGS VT，且vDS（vGSVT）增强型PMOS工作电压VDS0夹断电压VP大于0；饱和条件：vGS VP，且vDS（vGSVP）耗尽型PMOS工作电压VDSVT，且vD

12、S（vGSVT）增强型NMOS工作电压VDS0夹断电压VP小于0；饱和条件：vGS VP，且vDS（vGSVP）耗尽型PMOS工作电压VDS0饱和区可变电阻区增强型MOS管电流方程：饱和区可变电阻区耗尽型MOS管电流方程：耗尽型MOSFET和JFET比较相同点： vGS = 0 时，有导电沟道 小信号等效模型相同 不同点：耗尽型MOSFET： vGS可正可负JFET： vGS 必须反偏工作且具有低噪声的特点 管子工作在饱和区有 CEBJTFETCSCCCDCBCG 5.5 各种放大器件电路性能比较BJT与FET比较：BJT：有2种载流子参与导电，基极输入阻抗低，基极电流控制继电器电流，是电流控制电流的受控电流源器件，放大倍数较高；FET：只有1种载流子参与导电，门极输入阻抗超高，门极电压控制漏极电流，是电压控制电流的压控电流源器件，gm较小，放