第三章場效應管 g

1、2 場效應管及其基本放大電路一、場效應管一、場效應管二、場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置方法二、場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置方法三、場效應管放大電路的動態(tài)分析三、場效應管放大電路的動態(tài)分析 場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。 場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。 場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應管是單極型器件（三極管是雙極

2、型器件）。MOS場效應管場效應管結型場效應管結型場效應管P溝道（溝道（PMOS） N溝道（溝道（NMOS） P溝道（溝道（PMOS） N溝道（溝道（NMOS） 增強型（增強型（EMOS） 耗盡型（耗盡型（DMOS） N溝道溝道MOS管與管與P溝道溝道MOS管工作原理相似，不管工作原理相似，不同之處僅在于同之處僅在于它們形成電流的載流子性質不同，因它們形成電流的載流子性質不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反此導致加在各極上的電壓極性相反。 N+N+P+P+PUSGDq N溝道溝道EMOSFET結構示意圖結構示意圖源極源極漏極漏極襯底極襯底極 SiO2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極P P型硅型硅

3、襯底襯底SGUD電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道溝道寬度寬度 N溝道溝道EMOS管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結反偏結反偏) )。 U接電路最低電位或與接電路最低電位或與S極相連極相連( (保證源襯保證源襯PN結反偏結反偏) )。 VGS 0 ( (形成導電溝道形成導電溝道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq N溝道溝道EMOS管管工作原理工作原理柵柵 襯之間襯之間相當相當于以于以SiO2為介質為介質的平板電容器。的平板電容器。 N溝道溝道EMOSFET溝道形成原理溝道形成原理 假設假設VDS =0，討論，討論V

4、GS作用作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + - + VGS形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)并與并與PN結相通結相通VGS 襯底表面層中襯底表面層中負離子負離子 、電子、電子 VGS 開啟電壓開啟電壓VGS(th)形成形成N型導電溝道型導電溝道表面層表面層 npVGS越大，反型層中越大，反型層中n 越多，導電能力越強。越多，導電能力越強。反型層反型層 VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設（假設VGS VGS(th) 且保持不變）且保持不變） VDS很小時很小時 VGD VGS 。此時此時W近似不變近似不變，即即Ron不變不變。由圖由圖 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS I

5、D線性線性 。 若若VDS 則則VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大增大。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當當VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)時時 A點出現(xiàn)預夾斷點出現(xiàn)預夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) A點左移點左移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調制效應，則近似認為若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l 不變（即不變（即Ron不變）。不變）。因此預夾斷后：因

6、此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本維持不變。基本維持不變。 若考慮溝道長度調制效應若考慮溝道長度調制效應則則VDS 溝道長度溝道長度l 溝道電阻溝道電阻Ron略略 。因此因此 VDS ID略略 。由上述分析可描繪出由上述分析可描繪出ID隨隨VDS 變化變化的關系曲線：的關系曲線：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲線形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。 MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱稱單極

7、型器件。單極型器件。 三極三極管中多子、少子同時參與導電，故稱管中多子、少子同時參與導電，故稱雙雙極型器件。極型器件。 利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：工作原理： 由于由于MOS管柵極電流管柵極電流為零，故不討論輸入特為零，故不討論輸入特性曲線。性曲線。 共源組態(tài)特性曲線：共源組態(tài)特性曲線：ID= f ( VGS )VDS = 常數(shù)常數(shù)轉移特性：轉移特性：ID= f ( VDS )VGS =

8、 常數(shù)常數(shù)輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+- - - 轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉換。它們之間可以相互轉換。 NEMOS管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)特點：特點：ID同時受同時受VGS與與VDS的控制。的控制。當當VGS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VDSID近似線性近似線性 ，表現(xiàn)為一種電阻特性；，表現(xiàn)為一種電阻特性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V當當VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控

9、電阻的特性。，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管的放大區(qū)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管的放大區(qū)。數(shù)學模型：數(shù)學模型：若考慮溝道長度調制效應，則若考慮溝道長度調制效應，則ID的修正方程：的修正方程： 工作在工作在飽和區(qū)時，飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服從平方律關系式：從平方律關

10、系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中：其中： 稱稱溝道長度調制系數(shù)，其值與溝道長度調制系數(shù)，其值與l 有關。有關。通常通常 =( 0.005 0.03 )V- -1q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：相當于相當于MOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(qū)條件：條件： VGS VGS(th) ID=0=0以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG0，ID0q 擊

11、穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯PN結雪崩擊穿結雪崩擊穿 ID劇增。劇增。 VDS溝道溝道 l 對于對于l 較小的較小的MOS管管穿通擊穿。穿通擊穿。 NEMOS管轉移特性曲線管轉移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉移特性曲線反映轉移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS對對ID的控制作的控制作用用, ,可由輸出特性轉換得到?？捎奢敵鎏匦赞D換得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 轉移特性曲線中轉移特性曲線中, ,ID = =0 時對應的

12、時對應的VGS值值, ,即開啟即開啟電壓電壓VGS（th） 。q P溝道溝道EMOS管管+ -+ - VGSVDS+ - + - SGUDNN+P+SGDUP+N溝道溝道EMOS管與管與P溝道溝道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負、零均可。正、負、零均可。外部工作條件：外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式表達式與與EMOS管管相同相同。PDMOS與與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDI

13、DSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉移特性轉移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)q 飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學模型飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學模型 VDS極性取決于溝道類型極性取決于溝道類型N溝道：溝道：VDS 0， P溝道溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS | |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學模

14、型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq JFET結構示意圖及電路符號結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道溝道JFETP溝道溝道JFETN+N+PGSDq N溝道溝道JFET管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結反偏結反偏) )VGS 0 ( (保證柵源保證柵源PN結反偏結反偏) )P+P+NGSD- + + VGSVDS+ + - -q VGS對溝道寬度的影響對溝道寬度的影響|VGS | 阻擋層寬度阻擋層寬度 若若|VGS | 繼續(xù)繼續(xù) 溝道全夾斷溝道全夾斷使使VGS =VGS (off)夾斷電壓夾斷電壓若若VDS=0NGSD- +

15、 + VGSP+P+N型溝道寬度型溝道寬度 溝道電阻溝道電阻Ron VDS很小時很小時 VGD VGS由圖由圖 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID線性線性 若若VDS 則則VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大增大。此時此時 Ron ID 變慢變慢q VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設（假設VGS 一定一定）NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -此時此時W近似不變近似不變即即Ron不變不變 當當VDS增加到增加到使使VGD =VGS(off)時時 A點出現(xiàn)預夾斷點出現(xiàn)預夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) A點下移點下移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 VAS =VAG

16、+VGS =- -VGS(off) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調制效應，則近似認為若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l 不變（即不變（即Ron不變）。不變）。因此預夾斷后：因此預夾斷后：VDS ID 基本維持不變?；揪S持不變。 NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -ANGSD- + + VGSP+P+VDS+- -A 利用半導體內的電場效應，通過柵源電壓利用半導體內的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝道的寬窄，控制漏極電流道的寬窄，控制漏極電流ID。JFET工作原理：工作原理： 綜上所述，綜上所

17、述，JFET與與MOSFET工作原理相似，工作原理相似，它們都是利用電場效應控制電流，不同之處僅它們都是利用電場效應控制電流，不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。在于導電溝道形成的原理不同。 常量DS)(GSDUufi夾斷夾斷電壓電壓漏極飽漏極飽和電流和電流轉移特性場效應管工作在恒流區(qū)，因而場效應管工作在恒流區(qū)，因而uGSUGS（off）且且uGDUGS（off）。uDGUGS（off）GS(off)GSDSUuu2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi在恒流區(qū)時常量GS)(DSDUufig-s電壓控電壓控制制d-s的等的等效電阻效電阻輸出特性常量DSGSDmUuig預夾斷軌跡，預夾斷軌

18、跡，uGDUGS（off）可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒恒流流區(qū)區(qū)iD幾乎僅決幾乎僅決定于定于uGS擊擊穿穿區(qū)區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓夾斷電壓IDSSiD 不同型號的管子不同型號的管子UGS（off）、IDSS將不同。將不同。低頻跨導：低頻跨導：2. 絕緣柵型場效應管 uGS增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當反型層將兩個反型層將兩個N區(qū)相接時，形成導電溝道。區(qū)相接時，形成導電溝道。SiO2絕緣層絕緣層襯底襯底耗盡層耗盡層空穴空穴高摻雜高摻雜反型層反型層增強型管增強型管大到一定大到一定值才開啟值才開啟增強型MOS管uDS對iD的影響 用場效應管

19、組成放大電路時應使之工作在恒流區(qū)。用場效應管組成放大電路時應使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強型溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？管工作在恒流區(qū)的條件是什么？ iD隨隨uDS的增的增大而增大，可大而增大，可變電阻區(qū)變電阻區(qū) uGDUGS（th）,預夾斷預夾斷 iD幾乎僅僅幾乎僅僅受控于受控于uGS，恒，恒流區(qū)流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻來克服夾斷區(qū)的電阻耗盡型 MOS管 耗盡型耗盡型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0時均可導時均可導通，且與結型場效應管不同，由于通，且與結型場效應管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在絕緣層

20、的存在，在uGS0時仍保持時仍保持g-s間電阻非常大的特點。間電阻非常大的特點。加正離子加正離子小到一定小到一定值才夾斷值才夾斷uGS=0時就存在時就存在導電溝道導電溝道MOS管的特性1)增強型增強型MOS管管2)耗盡型耗盡型MOS管管開啟開啟電壓電壓夾斷夾斷電壓電壓DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi時的為式中在恒流區(qū)時，3. 場效應管的分類工作在恒流區(qū)時工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性間的電壓極性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增

21、強型絕緣柵型，溝道，溝道結型場效應管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？可工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？ uGS0才可能工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？才可能工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？ uGS0才可能工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？才可能工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？ q 場效應管與三極管性能比較場效應管與三極管性能比較 項目項目 器件器件電極名稱電極名稱工作區(qū)工作區(qū)導導電電類類型型輸輸入入電電阻阻跨跨導導三三極極管管e e極極b b極極c c極極放放大大區(qū)區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)雙雙極極型型小小大大場效場效應管應管s s極極g g極極d d極極飽飽和和區(qū)區(qū)非飽

22、非飽和區(qū)和區(qū)單單極極型型大大小小q MOS MOS管簡化小信號電路模型管簡化小信號電路模型( (與三極管對照與三極管對照) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds為為場效應管場效應管輸出電阻：輸出電阻： 由于場效應管由于場效應管IG 0，所以輸入電阻所以輸入電阻rgs 。而三極管發(fā)射結正偏，而三極管發(fā)射結正偏，故輸入電阻故輸入電阻rb e較小。較小。)/(1CQceIr與三極管與三極管輸出電阻表達式輸出電阻表達式 相似。相似。)/(1DQdsIrrb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e MOS管管跨導跨導QGSDmvig2GS(th)GSOX

23、D)(2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三極管三極管跨導跨導CQeQEBC5 .38 Irvigm 通常通常MOS管的跨導比管的跨導比三極管的三極管的跨導要小一個跨導要小一個數(shù)量級以上，即數(shù)量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。管放大能力比三極管弱。q 計及襯底效應的計及襯底效應的MOS管簡化電路模型管簡化電路模型 考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓vus對漏極電流對漏極電流id的控制作用，小信的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu稱背柵跨導，稱

24、背柵跨導，工程上工程上mQusDmugvig 為常數(shù)，為常數(shù)，一般一般 = 0.1 0.2q MOS管高頻小信號電路模型管高頻小信號電路模型 當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采用如下高頻等效電路模型。用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間柵源極間平板電容平板電容漏源極間電容漏源極間電容（漏襯與（漏襯與源襯之間的勢壘電容）源襯之間的勢壘電容）柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容q 小信號等效電路法小信號等效電路法場效應管小信號等效電路分法與三極管相似。場效應管小信號等效電路分法與三極管相

25、似。 利用微變等效電路分析交流指標。利用微變等效電路分析交流指標。 畫交流通路畫交流通路 將將FETFET用小信號電路模型代替用小信號電路模型代替 計算微變參數(shù)計算微變參數(shù)gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細介紹。注：具體分析將在第四章中詳細介紹。二、場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置方法二、場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置方法（1 1）分壓偏置電路）分壓偏置電路 Q點估算：點估算： 電路特點電路特點： 分壓偏置電路不僅適用于三極管，同時適分壓偏置電路不僅適用于三極管，同時適用于各種類型的場效應管。用于各種類型的場效應管。 VDDTSRG1RG2RDRSGIDSDQG2G1DDG2GSQRIRRVRV2GS(th)GSQOXDQ)(2VVlWCI)(SDDQDDDSQRRIVV（2 2）自偏置電路）自偏置電路 Q點估算：點估算： 電路特點電路特點： 故自偏置電路只適合于耗盡型故自偏置電路只適合于耗盡型場效應管場效應管VDDSRGRDRSGIDSDQGSQ0RIV)(SDDQDDDSQRRIVV2GS(off)GSQDSSDQ1VVII 由于由于VDS與與VGS極性始終相反極性始終相反 例如：例如：JFET、DMOS管管（3 3）零偏置電路）零偏置電路 Q點估算：點估算： 電路特點電路特點：由于由于VGS=0，故零偏置電路只適合耗盡型故零偏置電路只適合