模電第五章課件

學(xué)習(xí)方法：和BJT及基本放大器對(duì)照學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容：FET放大器場效應(yīng)管(簡稱FET)工作原理及特性曲線§5場效應(yīng)管放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)管5.3結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)*5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.5各種放大器件電路性能比較5.2MOSFET放大電路§5場效應(yīng)管放大電路

BJT三極管

場效應(yīng)管電壓控制電流型器件單極型器件電流控制電流型器件雙極型器件5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)JFET輸入電阻約106～109。而絕緣柵FET輸入電阻可高達(dá)1015。耗盡型當(dāng)UGS=0時(shí)，D、S之間就存在導(dǎo)電溝道，稱為耗盡型場效應(yīng)晶體管金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）增強(qiáng)型當(dāng)UGS=0時(shí)，D、S之間沒有導(dǎo)電溝道，ID=0，稱為增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET(a)剖面圖1.結(jié)構(gòu)（N溝道）(b)增強(qiáng)型的符號(hào)圖5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)及符號(hào)利用擴(kuò)散的方法在P型硅中形成兩個(gè)高摻雜的N+區(qū)。然后在P型硅表面生長一層很薄的二氧化硅絕緣層，并在二氧化硅的表面及N+型區(qū)的表面上分別引出三個(gè)電極——柵極g、源極s、漏極d。鋁sgd二氧化硅N+N+PVDD

VGS=0，即使加VDS，無溝道，

iD=0，VDSds襯底總有一個(gè)PN結(jié)反偏；此時(shí)若s與襯底連，則d與襯底間PN結(jié)亦是反偏。圖5.1.2(a)vGS=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理(1)vGS對(duì)溝道的控制作用VGS>0，排斥空穴，吸引電子到半導(dǎo)體表面VGS到VGS>VGS(th)，半導(dǎo)體表面形成N導(dǎo)電溝道，將源區(qū)和漏區(qū)連起來。VGS(th)：開啟電壓sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)溝道圖5.1.2(b)vGS≥VT時(shí)，出現(xiàn)N型溝道5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理(1)vGS對(duì)溝道的控制作用圖5.1.2(c)vGS>VT時(shí)，vDS較小時(shí)，iD迅速增大加上VDSVGS>VTVDS=0iD=0VDSiD溝道成楔形（VGS–VDS>VT

）見圖(c)VDS靠d端被夾斷（VGS–VDS=VT

）VDS夾斷區(qū)iD飽和（VGS–VDS<VT

）見圖(d)2.工作原理sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)溝道iD迅速增大(2)vDS對(duì)溝道的控制作用sgdN+N+PVDDVGGiD飽和夾斷區(qū)圖5.1.2(d)vGS>VT，vDS較大出現(xiàn)夾斷時(shí)，iD趨于飽和2.工作原理當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度當(dāng)vDS增加到使vGD=VT時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS=VT(2)vDS對(duì)溝道的控制作用預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變，達(dá)到飽和2.工作原理(2)vDS對(duì)溝道的控制作用(2)vDS對(duì)溝道的控制作用

VDS并不能控制iD。要增大iD，須增大VGS，使溝道加寬；要減小iD，須減小VGS，使溝道變窄；這體現(xiàn)了VGS對(duì)iD的控制。sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)溝道N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管2.工作原理3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程(1)輸出特性當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。②可變電阻區(qū)③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）①截止區(qū)rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻vGS>VT

，且vDS≥(vGS－VT)是vGS＝2VT時(shí)的iDKn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V23.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程(2)轉(zhuǎn)移特性(直接由作圖法獲得)a.討論輸入特性無意義b.當(dāng)

VTvGS

時(shí)，iD和vGS的關(guān)系是：是vGS＝2VT時(shí)的iD歸納：VGS>VT

，在半導(dǎo)體表面形成感生溝道，并控制它。VGS溝道iDVGS溝道iD這就是VGS對(duì)iD的控制VGS

溝道 iD

0 存在 有VDS就有iD>0 變寬 <0 變窄 ++++++sgd襯底引線N+N+N型溝道PN溝道耗盡型MOS管5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.工作原理（N溝道）3.V-I特性曲線

（N溝道增強(qiáng)型）(a)輸出特性曲線(b)vDS>(vGS-VP)時(shí)的轉(zhuǎn)移特性夾斷電壓（截止電壓）VGS(off)圖5.1.5N溝道耗盡型MOSFET是vGS＝2VT時(shí)的iD5.1.3P溝道MOSFET1、開啟電壓VT夾斷電壓VP2、飽和漏電流IDSSVT是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。當(dāng)vDS為某一固定值（例如10V），使iD等于一個(gè)微小的電流（例如50A）時(shí)，柵源之間所加的電壓。VP是耗盡型MOS管的參數(shù)。令vDS為某一固定值（例如10V），使iD等于一個(gè)微小的電流（例如20A）時(shí)，柵源之間所加的電壓。IDSS是指工作于飽和區(qū)時(shí)，耗盡型場效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線上在vGS=0時(shí)的漏極電流。3、直流輸入電阻RGS在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源直流電阻就是直流輸入電阻RGS。MOS管的RGS可達(dá)109～1015。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)2、低頻互導(dǎo)gm它是轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的切線的斜率，反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。gm隨工作點(diǎn)的不同而變，一般在十分之幾至幾mS的范圍內(nèi)，特殊的可達(dá)100mS，甚至更高。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)二、交流參數(shù)1、輸出電阻rds輸出電阻rds說明了vds對(duì)iD的影響，是輸出特性曲線某一點(diǎn)上切線斜率的倒數(shù)。增強(qiáng)型NMOS估算gm:是指柵源間的PN結(jié)發(fā)生反向擊穿，反向電流開始急劇增加時(shí)的vGS值。三、極限參數(shù)3、漏源擊穿電壓V(BR)DS4、柵源擊穿電壓V(BR)GS是指發(fā)生雪崩擊穿、iD開始急劇上升時(shí)的vDS值。2、最大耗散功率PDMPDM＝vDSiD，這些耗散功率將變?yōu)闊崮埽构茏拥臏囟壬?。為了限制它的溫度不要升得太高，就要限制它的耗散功率不能超過最大數(shù)值PDM。顯然，PDM受管子最高工作溫度的限制。1、最大漏極電流IDM

IDM是管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即5.2.1MOSFET放大電路假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例5.2.1：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足5.2.1MOSFET放大電路例5.2.2：電路如圖5.2.2所示，設(shè)MOS管的參數(shù)為VT=1V，Kn=500μA/V2。電路參數(shù)為VDD=5V，-VSS=-5V,Rd=10kΩ,

R=0.5kΩ,ID=0.5mA。若流過Rg1、Rg2的電流是ID的1/10,試確定Rg1和Rg2的值。圖5.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路解：設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有MOS管的確工作于飽和區(qū)，與最初假設(shè)一致電流源偏置1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI＝0，VG＝0，ID＝I（假設(shè)在飽和區(qū)）

5.2.1MOSFET放大電路（驗(yàn)證在飽和區(qū)）2.圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動(dòng)態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng)當(dāng)，vgs<<2(VGSQ-VT)時(shí)，5.2.1MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路場效應(yīng)管的小信號(hào)模型(a)N溝道增強(qiáng)型MOS管(b)=0,rds=∞時(shí)的低頻小信號(hào)模型(c)0,rds為有限值的低頻小信號(hào)模型條件：信號(hào)是微變量管子工作在線性區(qū)例5.2.5：電路如圖5.2.2所示，設(shè)MOS管的參數(shù)為VT=1V，Kn=500μA/V2,λ=0。電路參數(shù)為VDD=5V，-VSS=-5V,Rd=10kΩ,

R=0.5kΩ,Rg1=150kΩ、Rg2=47kΩ,Rs=4kΩ。試確定電路的電壓增益Au、源電壓增益Aus、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。圖5.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路s圖5.2.2的小信號(hào)等效電路放大電路分析（例5.2.5）s圖5.2.2的小信號(hào)等效電路例5.2.2中已經(jīng)求出Q點(diǎn)例5.2.6：電路如圖5.2.10a所示，設(shè)耦合電容對(duì)信號(hào)頻率可視為交流短路，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)，rds很大，可忽略。試畫出其小信號(hào)等效電路，求出其輸入電阻、小信號(hào)電壓增益、源電壓小信號(hào)電壓增益和輸出電阻。圖5.2.10NMOS源極跟隨器圖5.2.10所示電路的小信號(hào)等效電路sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1圖5.2.10所示電路的小信號(hào)等效電路sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1解：sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1例5.2.6：電路如圖5.2.10a所示，設(shè)耦合電容對(duì)信號(hào)頻率可視為交流短路，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)，rds很大，可忽略。試畫出其小信號(hào)等效電路，求出其輸入電阻Ri、小信號(hào)電壓增益Au、源電壓小信號(hào)電壓增益Aus和輸出電阻Ro。圖5.2.10所示電路的小信號(hào)等效電路sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1例5.2.6：電路如圖5.2.10a所示，設(shè)耦合電容對(duì)信號(hào)頻率可視為交流短路，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)，rds很大，可忽略。試畫出其小信號(hào)等效電路，求出其輸入電阻Ri、小信號(hào)電壓增益Au、源電壓小信號(hào)電壓增益Aus和輸出電阻Ro。解：5.3結(jié)型場效應(yīng)管5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)(c)N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管圖形符號(hào)gsdP+SGDNNP+(b)N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管示意圖柵極源極漏極5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理箭頭表示PN結(jié)方向（PN）gsd(b)N+sgdPPN+(a)源極漏極柵極(a)P溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)(c)P溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管圖形符號(hào)N-SGDPPN-(b)P溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管示意圖2.工作原理(以N溝道JFET為例)VGGsgdNNP+P+－＋－＋VGSVDD＋－ID場效應(yīng)晶體管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)晶體管施加偏置電壓：柵極(g)和源極(s)間加反偏電壓

VGS≤0漏極(d)與源極(s)間加正向電壓

VDS>0在漏源電壓VDS的作用下，N型溝道中的載流子運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生溝道電流ID。當(dāng)VGS改變時(shí)，溝道兩側(cè)耗盡層的寬度也隨著改變，導(dǎo)致溝道電阻的改變，從而實(shí)現(xiàn)利用電壓VGS控制ID的目的。(a)

vGS=0時(shí)，場效應(yīng)晶體管兩側(cè)的PN結(jié)均處于零偏置，此時(shí)耗盡層最薄，導(dǎo)電溝道最寬，溝道電阻最小。令vDS=0，看耗盡層的變化即溝道的寬窄vGS=0sgdNNP+P+a)導(dǎo)電溝道最寬①vGS對(duì)溝道的控制作用2.工作原理(以N溝道JFET為例)在g和s（PN結(jié)）間加一反偏電壓，即VGS為負(fù)值。(b)|VGS|，耗盡層均勻增加，溝道均勻變窄。b)導(dǎo)電溝道變窄VGSsgdNNP+P+(c)|VGS|，VGS=VP(或者VGS(off))，溝道被夾斷。VP

：夾斷電壓即使加VDS，iD亦為0。應(yīng)用的時(shí)候，控制信號(hào)加在G、S所在的電路中，當(dāng)VGS在負(fù)值范圍內(nèi)變化時(shí)，由于PN結(jié)的反偏，柵極電流基本上為0，體現(xiàn)了控制信號(hào)能量消耗很小的優(yōu)點(diǎn)。VDSVGSsgdNgiD0耗盡層耗盡層P+P+c)導(dǎo)電溝道夾斷對(duì)于N溝道的JFET，VP<0。令VGS=0，看iD和VDS的關(guān)系(a)VDS=0，

iD=0P+sgdNP+g耗盡層iD=02.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用(b)VDS，溝道電場強(qiáng)度（以這為主）iD

但從源極到漏極，產(chǎn)生一個(gè)沿溝道的電位梯度，使加在PN結(jié)上的反偏電壓由靠近源極的0到VDS。因此靠漏極耗盡層寬，靠源極耗盡層窄，溝道成楔形。P+sgdNP+g耗盡層iD迅速增大VDS2.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用(c)VDS，兩邊耗盡層在A點(diǎn)相遇，稱為預(yù)夾斷，此時(shí)g點(diǎn)和A點(diǎn)間電壓為VP。即VGD=VGS–VDS=VP

P+sgdNP+iD趨于飽和VDSA耗盡層耗盡層2.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用*(d)VDS，iD不變夾斷長度（VDS不能控制iD）P+sgdNP+g耗盡層iD飽和VDS耗盡層A2.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用要使iD減少，須加負(fù)的VGS。VGS越負(fù)，iD越小。體現(xiàn)了VGS對(duì)iD的控制作用。（VGS產(chǎn)生的電場變化控制iD，稱為場效應(yīng)管）sgdNgiD飽和VDSAVGSP+P+耗盡層耗盡層2.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。

JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。1.轉(zhuǎn)移特性曲線a.討論輸入特性無意義b.當(dāng)

VPvGS0時(shí)，iD和vGS的關(guān)系是：IDSS：飽和漏電流UGGsgdNNP+P+－＋－＋UGSUDD＋－IDUGS(off)=-3.4(V)UDS＝10(V)圖2-6轉(zhuǎn)移特性曲線ID(mA)–3–2–401234UGS(V)IDSS–15.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)最大值2.輸出特性曲線I區(qū)：可變電阻區(qū)。VGS越負(fù)，漏源間等效交流電阻越大。III區(qū)：恒流區(qū)(線性放大區(qū)，電流飽和區(qū))II區(qū)：夾斷區(qū)VGGsgdNNP+P+－＋－＋VGSVDD＋－iD12340預(yù)夾斷軌跡ⅢⅣIVDS(V)iD(mA)–1–2VGS=0VGS=VP=–3.41020夾斷區(qū)Ⅱ結(jié)型場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)(與MOSFET類似)3.主要參數(shù)5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)小結(jié):耗盡型MOSFET和JFET比較相同點(diǎn)：VGS=0時(shí)，有溝道管子工作在飽和區(qū)有不同點(diǎn)：耗：VGS可正可負(fù)結(jié)型：VGS05.3.2FET放大電路的小信號(hào)模型分析法1.FET小信號(hào)模型(1)低頻模型（2）高頻模型結(jié)型場效應(yīng)晶體管共源放大電路sdRdRg2g+–Rg1Rg3viRvgs+–gmvgs–+rdsv0(b)小信號(hào)等效電路(a)結(jié)型場效應(yīng)晶體管共源電路Cb1+–RgdsRg2VDDCb2+–Rg3Rg1Rd＋＋2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析sdRdRg2g+–Rg1Rg3viRvgs+–gmvgs–+rdsv0(b)小信號(hào)等效電路2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析結(jié)型場效應(yīng)晶體管共源放大電路(1)忽略rds，求得放大電路的中頻增益Av為：(b)小信號(hào)等效電路v0sdRdRg2g+–Rg1Rg3viRvgs+–gmvgs–+2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析(2)輸入電阻(3)輸出電阻(b)小信號(hào)等效電路v0sdRdRg2g+–Rg1