模拟电子电路 第三章场效应管及其基本电路

第三章场效应管及其基本电路（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。11/26/20231模拟电子技术场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。

场效应管FET(FieldEffectTransistor)结型场效应管JFET绝缘栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。11/26/20232模拟电子技术JFET：利用栅源电压（输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。IGFET：利用栅源电压（输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。FET输入电压输出电流11/26/20233模拟电子技术N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：11/26/20234模拟电子技术3―1结型场效应管3―1―1结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构.avi11/26/20235模拟电子技术P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向11/26/20236模拟电子技术图3-1结型场效应管的结构示意图和符号11/26/20237模拟电子技术3.1.2工作原理图4-2当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意1.UGS对导电沟道的影响11/26/20238模拟电子技术NDGSPP(a)UGS=0，沟道最宽图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图11/26/20239模拟电子技术(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：︱UGS︱↑→PN结耗尽层宽度↑→沟道宽度↓11/26/202310模拟电子技术(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff——夹断电压11/26/202311模拟电子技术图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线11/26/202312模拟电子技术2.ID与UDS、UGS之间的关系图3-3UDS对导电沟道和ID的影响11/26/202313模拟电子技术3―1―2结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；

UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。恒流区中：uGS≤0，iD≥011/26/202314模拟电子技术2.转移特性曲线图4-5N沟道结型场效应管的转移特性曲线11/26/202315模拟电子技术根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。11/26/202316模拟电子技术二、输出特性曲线

1.可变电阻区iD的大小同时受uGS

和uDS的控制。栅、漏间电压uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）栅、源间电压uGS>UGSoff预夹断前所对应的区域。uGS≤0，uDS≥011/26/202317模拟电子技术图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线11/26/202318模拟电子技术

当uDS很小时，uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时，uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。11/26/202319模拟电子技术2.恒流区iD的大小几乎不受uDS的控制。预夹断后所对应的区域。栅、漏间电压uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）栅、源间电压uGS>UGSoff11/26/202320模拟电子技术(1)当UGSoff<uGS<0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大极小。11/26/202321模拟电子技术4.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。当UGS<UGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3.截止区11/26/202322模拟电子技术图3―4uDS对导电沟道的影响GD(2V)S(0V)-4-5-6-7.5设11/26/202323模拟电子技术综上分析可知沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，

所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因

此iG0，输入电阻很高。11/26/202324模拟电子技术3―2绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属——氧化物——半导体场效应管，用符号MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介11/26/202325模拟电子技术图3―5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图11/26/202326模拟电子技术MOSFETN沟道P沟道增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类11/26/202327模拟电子技术3―2―1绝缘栅场效应管的结构3―2―2N沟道增强型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理11/26/202328模拟电子技术图3―6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号11/26/202329模拟电子技术二、转移特性(1)当uGS<UGSth时，iD=0。(2)当uGS>UGSth时，iD>0，二者符合平方律关系。iD≥011/26/202330模拟电子技术式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)；

μn——沟道电子运动的迁移率；

Cox——单位面积栅极电容；

W——沟道宽度；

L——沟道长度(见图3―5(a))；

W/L——MOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。11/26/202331模拟电子技术iD0(a).转移特征曲线:11/26/202332模拟电子技术三、输出特性(1)截止区uDS≥0uGS<UGSth导电沟道未形成，iD=0。(2)可变电阻区预夹断前所对应的区域。uGS>UGSthuGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）11/26/202333模拟电子技术图3―8输出特性

(a)输出特性；(b)厄尔利电压11/26/202334模拟电子技术(3)恒流区·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。预夹断后所对应的区域。uGS>UGSthuGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）11/26/202335模拟电子技术GD(1V)S(0V)432.51.5设11/26/202336模拟电子技术3―2―3N沟道耗尽型

MOSFET

(DepletionNMOSFET)式中：ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。11/26/202337模拟电子技术图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号11/26/202338模拟电子技术图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号11/26/202339模拟电子技术图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB11/26/202340模拟电子技术3―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型FET图3―11各种场效应管的符号对比11/26/202341模拟电子技术图3―11各种场效应管的符号对比11/26/202342模拟电子技术iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：P沟道：11/26/202343模拟电子技术图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性可变电阻区01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9结型P沟耗尽型MOSP沟－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道：P沟道：11/26/202344模拟电子技术3―3场效应管的参数和小信号模型

3―3―1场效应管的主要参数一、直流参数1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数

(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：

(2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。

2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。11/26/202345模拟电子技术3.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在108~1012Ω之间。对MOS管，RGS在1010~1015Ω之间。通常认为RGS→∞。

二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS11/26/202346模拟电子技术DGSDGSN沟道P沟道结型FET图3―11各种场效应管的符号对比11/26/202347模拟电子技术三、交流参数1跨导gm对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。直流工作点电流IDQ↑，gm↑

。11/26/202348模拟电子技术而对增强型MOSFET，其电流方程为那么，对应工作点Q的gm为直流工作点电流IDQ↑，gm↑

。11/26/202349模拟电子技术2.输出电阻rds

恒流区的rds可以用下式计算：其中，UA为厄尔利电压。DSGB11/26/202350模拟电子技术DGSDGSN沟道P沟道结型FET图3―11各种场效应管的符号对比11/26/202351模拟电子技术图3―8输出特性uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)厄尔利电压11/26/202352模拟电子技术若输入为正弦量，上式可改写为通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则3―3―2场效应管的低频小信号模型11/26/202353模拟电子技术rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图3―13场效应管低频小信号简化模型11/26/202354模拟电子技术3―4场效应管放大器3―4―1场效应管偏置电路偏置方式自偏压方式混合偏置方式确定直流工作点方法图解法解析法

适宜JFET、DMOSFET适宜JFET、DMOSFET、EMOSFET11/26/202355模拟电子技术图3―14场效应管偏置方式

(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)11/26/202356模拟电子技术一、图解法————栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式2.对于混合偏置方式————栅源回路直流负载线方程RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)11/26/202357模拟电子技术RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)————栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式图解法iDuGS0(a)Q1Q2RS1­11/26/202358模拟电子技术2.对于混合偏置方式图解法iDuGS0(b)Q1Q2Q2Q3Q3RS1­RG1+RG2RG2UDDRDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2RG1(分压式偏置)————栅源回路直流负载线方程11/26/202359模拟电子技术解析法已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点.例如对于自偏压方式如：11/26/202360模拟电子技术图3―16共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路

3―4―2场效应管放大器分析一、共源放大器11/26/202361模拟电子技术图3―16共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路11/26/202362模拟电子技术式中，，且一般满足RD‖RL<<rds。所以，共源放大器的放大倍数Au为若gm=5mA/V，则Au=－50。11/26/202363模拟电子技术输入电阻：输出电阻：11/26/202364模拟电子技术例场效应管放大器电路如图3―18(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝2mA/V11/26/202365模拟电子技术ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝2mA/V图3―18带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路(a)11/26/202366模拟电子技术RS1rdsDSUo.RDRL+­+­Ui.GRG3RG2RG1gmUgs.输出电压故11/26/202367模拟电子技术1.放大倍数Au

式中：故所以11/26/202368模拟电子技术图3―18带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路11/26/202369模拟电子技术C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V图3―19共漏电路及其等效电路

(a)电路；(b)等效电路二、共漏放大器11/26/202370模拟电子技术图3―19共漏电路及其等效电路

(a)电路；(b)等效电路(b)＋－Uo.RLRSSDId.gmUgs.＝gm[Ui－Id(RSRL)]..｜｜11/26/202371模拟电子技术1.放大倍数Au

式中：故所以C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V11/26/202372模拟电子技术图3―20计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路

2.输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V11/26/202373模拟电子技术图3―20计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路11/26/202374模拟电子技术由图可见式中：所以，输出电阻为11/26/202375模拟电子技术

3.输入电阻C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V11/26/202376模拟电子技术11/26/202377模拟电子技术新型半导体MOS器件研究

11/26/202378模拟电子技术1958年集成电路发明以来,为了提高电子集成系统的性能，降低成本(1)集成电路的特征尺寸不断缩小，制作工艺的加工精度不断提高(2)同时硅片的面积不断增大(3)40多年来，集成电路芯片的发展基本上遵循了摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，晶体管尺寸按0.7的因子减小。(4)集成电路芯片的特征尺寸已经从1978年的10μm发展到现在的0.13—0.08μm；硅片的直径尺寸也逐渐由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸发展到12英寸。更新的预测表明,到2016年,MOS的沟道长度将缩小到20nm以下.11/26/202379模拟电子技术MOS器件缩小到亚100nm面临许多挑战,有很多问题需要解决:(1)SCE(短沟道效应);(2)DIBL(漏场感应势垒降低)效应;(3)氧化层的可靠性;(对器件的静态功耗产生影响);(4)量子效应;(使栅电容减小);(5)杂质数涨落;(杂质数统计起伏对器件性能影响).11/26/202380模拟电子技术SourceDrainTunnelingThermionicemission图7电子传输方向能带示意图Fig.7Potentialdiagraminthedirectionofelectrontransport11/26/202381模拟电子技术高K栅介质MOS器件(1)随着半导体器件特征尺寸的缩小，SiO2栅氧化层厚度也相应地减薄。这时电子的隧穿电流更趋明显,传统的二氧化硅栅介质已经无法满足半导体器件的要求;(2)寻找高性能的、与半导体制备工艺兼容的高介电常数的绝缘栅介质替代传统的二氧化硅介质，已成为新型MOS器件研究领域的前沿研究课题.11/2