第5章場效應管放大電路

掌握內容：FET特性的比較理解內容：FET的特性及參數(shù)了解內容：JFET的結構、工作原理；重點：NMOSFET及其共源放大電路（CS電路）難點：N溝道增強型MOSFET的工作原理本章學時：55場效應管（Fieldeffecttransistor）放大電路

引言場效應管

FET

(FieldEffectTransistor)類型：結型

JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)定義：一種利用電場效應來控制其電流大小的半導體。金屬-氧化物-半導體場效應管MOSFET(MetalOxideSemiconductortypeFieldEffectTransistor)。(a)

輸入電阻高，可達107~1015W。(b)

起導電作用的是多數(shù)（一種,電子或空穴）載流子，又稱為單極型晶體管。(c)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(d)

噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)

在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應用。場效應管的主要特點

JFET的直流輸入電阻雖然一般可達106∽109Ω，由于這個電阻從本質上說是PN結的反向電阻，PN結反向偏置時總會有一些反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進一步提高。與JFET不同，MOSFET是利用半導體表面的電場效應進行工作的，也稱為表面場效應器件。由于它的柵極處于不導電（絕緣）狀態(tài)，所以輸入電阻大為提高，可達1015

Ω。

N（電子型）溝道

P（空穴型）溝道N溝道P溝道MOSFET耗盡型D型增強型E型分類：按導電溝道形成機理不同

5.1

金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管

(Metal-Oxide-SemiconductortypeFET)

5.1.1N溝道增強型MOSFETgsdN+N+

SiO2絕緣層AlB（襯底引線）P結構示意圖1.結構

1、結構與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—

源極

SourceG—

柵極

Gate

D—漏極

DrainSGD襯底由于柵極與源極、漏極均無電接觸，故稱絕緣柵極，N溝道增強符號如右圖，箭頭方向表示由P指向N。垂直短線代表溝道，短畫線表明在未加適當柵壓之前漏極和源極之間無導電溝道。2.工作原理

電路連接圖PN+sgdN+–++–（1）vGS

=0,vDS≠0

沒有導電溝道此時不管vDS極性如何，始終有一個PN結反偏，iD=0PN+sgN+iD=0d–++–漏極和襯底間PN結反偏，漏源之間的電阻很大，沒有形成導電溝道，iD=0。PN+sgN+iD=0d–++–(2)vGS

>0,vDS

=0,出現(xiàn)N型溝道在正的柵源電壓作用下，產生垂直向下的電場PN+sgN+iD=0g–++–電場排斥空穴，留下不能移動的負離子吸引P型硅表面的電子形成耗盡層PN+sgN+iD=0d–++–這種在VGS=0時沒有導電溝道，依靠sg電壓的作用，形成感生溝道的FET稱為增強型FET。當vGS

=VT時電子在柵極附近的P型硅的表面形成一個N型薄層稱為反型層是柵源正電壓感應產生的，也稱感生溝道PN+sgN+iD=0d–++–把在漏源電壓作用下開始導電時的柵源電壓叫做開啟電壓VT。一旦出現(xiàn)感生溝道，兩個N型區(qū)連在一起，在正的漏源電壓VDS作用下，產生漏極電流iDPN+sgN+iD>0d–++–vDS(d)溝道反型層呈楔形(b)由于沿溝道有電位梯度溝道厚度源端厚，漏端薄(3)當vGS

>VT,vDS>0時(c)絕緣層內不同點的電場強度不同,左高右低(a)外加較小的vDS

時，

iD隨vDS迅速增大，可變電阻區(qū)。a.vDS繼續(xù)增加溝道變窄PN+sgN+iD>0d–++–vDS反型層變窄b.當vGD

=vGS–vDS=VT時PN+sgN+iD>0d–++–uDS溝道在漏極端夾斷(b)管子預夾斷(a)iD達到最大值，飽和區(qū)。c.當vDS進一步增大PN+SGN+iD>0D–++–uDSPN+sgN+d–++–vDS溝道夾斷區(qū)延長管子進入恒流區(qū)溝道電阻增加，但iD基本不變3．特性曲線

(a)．輸出特性

在柵源電壓VGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓VDS之間的關系。

vDS對溝道的控制作用vDS和vGS同時作用時

vGS一定，vDS變化時給定一個vGS

，就有一條不同的iD

–vDS

曲線。3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程①截止區(qū)當vGS＜VT時，導電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個受vGS控制的可變電阻

②可變電阻區(qū)

n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導因子其中Kn為電導常數(shù)，單位：mA/V2③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS

>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時的iD

V-I特性：2．轉移特性在漏源電壓vDS下，柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制特性。轉移特性可以直接從輸出特性上用作圖法求得。

(1)對于不同的vDS，對應的轉移特性曲線不同。曲線特點(2)當管子工作于恒流區(qū)時，轉移特性曲線基本重合。5.1.2N溝道耗盡型MOSFET

1.

MOS管結構示意圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導電溝道）反型層P二氧化硅絕緣層中滲入了大量正離子PN+sdN+VGS=0時，由于正離子的作用，源區(qū)和漏區(qū)的中間P型襯底上感應出較多的負電荷（電子）形成N型導電溝道g在溝道中感應出更多的負電荷，導電溝道增寬，在vDS的作用下，iD具有更大的數(shù)值。a.PN+sdN++–g在溝道中感應的負電荷減少，導電溝道變窄，漏極電流減小。當VGS達到某值時，感應的負電荷消失，耗盡區(qū)擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷。即使有漏源電壓vDS，也不會有漏極電流iD，此時的柵源電壓稱為夾斷電壓（截止電壓）VP(負值)。b.PN+sdN++–g耗盡型MOS管可以在vGS為正或負下工作,基本上無柵流。PN+sdN++–g2.V-I特性曲線及大信號特性方程

同樣有三個區(qū)，電流方程和增強型一樣，必須用VP代替VT。輸出特性曲線轉移特性曲線飽和區(qū)：

零柵壓的漏極電流，稱為飽和漏極電流。第二個S表示柵源間短路的意思。5.1.3P溝道MOSFETPMOS管外加的VDS必須是負值，開啟電壓VT也是負值。增強型溝道產生條件：

VGS≤VT可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的界限：

VDS=VGS-VT5.1.4溝道長度調制效應理想情況下，當MOSFET工作于飽和區(qū)時，漏極電流iD與漏源電壓VDS無關。實際MOS管在飽和區(qū)的輸出特性曲線還應考慮VDS對溝道長度L的調制作用。當VGS固定，VDS增加時，iD會有所增加，輸出特性的每根曲線會向上傾斜。飽和區(qū)的曲線并不是平坦的.L的單位為m當不考慮溝道調制效應時，＝0，曲線是平坦的。

修正后用溝道長度調制參數(shù)λ對輸出特性的公式進行修正。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)

一、直流參數(shù)

1、開啟電壓VT(增強型參數(shù))實際測試時，通常令vDS為某一固定值（10v），使iD等于一個微小的電流（50uA）時，柵源之間所加的電壓。實際測試時，通常令vDS為某一固定值，使iD等于一個微小的電流時，柵源之間所加的電壓。由vGD=vGS

-vDS=VP一、直流參數(shù)

2、夾斷電壓VP(耗盡型參數(shù))

3.飽和漏電流IDSS(耗盡型參數(shù)）通常令vDS=10V,vGS=0V時測出的iD就是IDSS，在轉移特性上，就是Vgs=0時的漏極電流。在vGS=0的情況下，當|vDS|

>|VP|時的漏極電流，

4.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的柵源直流電阻。二、交流參數(shù)

1、輸出電阻rds

說明了vDS對于iD的影響，是輸出特性某一點上切線斜率的倒數(shù)。在飽和區(qū)，iD隨vDS改變很小，因此rds的數(shù)值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間。

2.低頻互導（跨導）gm

在vDS等于常數(shù)時，漏極電流的微小變量和引起這個變化的柵源電壓的微變量之比稱為互導（跨導）。反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，相當于轉移特性上工作點的斜率。當管子工作在放大區(qū)時得管子的跨導它是JFET小信號建模的重要參數(shù)之一。1.最大漏極電流IDM管子正常工作時漏極電流允許的上限值。三、極限參數(shù)

2.最大耗散功率PDM

耗散在管子中的功率將變?yōu)闊崮?，使管子的溫度升高。因此受最高工作溫度的限制?/p>

3.最大漏源電壓V（BR）DS指柵源間反向電流開始急劇增加時的vGS值。V（BR）DS指發(fā)生雪崩擊穿、iD開始急劇上升時的vDS值。(4)最大柵源電壓V（BR）GS其余參數(shù)見表5.1.1。5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2.圖解分析3.小信號模型分析1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）共源極放大電路直流通路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算假設工作在飽和區(qū)，即驗證是否滿足如果不滿足，則說明假設錯誤須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)再假設工作在可變電阻區(qū)即假設工作在飽和區(qū)滿足假設成立，結果即為所求。解：例：設Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗證是否滿足2.圖解分析ＶＧＧ＞ＶＴ，為使場效應管工作于飽和區(qū)，VDD足夠大.Rd的作用將漏極電流iD的變化轉換成電壓vDS的變化，從而實現(xiàn)電壓放大．令vi=0,vGS=VGG,在場效應管的輸出特性曲線上找出由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同實現(xiàn)放大3.小信號模型分析如果輸入信號很小,場效應管工作在飽和區(qū)時,和BJT一樣,將場效應管也看成一個雙口網絡,柵極與源極看成入口,漏極與源極看成出口.以N溝道增強型MOS管為例,,柵極電流為零,柵源之間只有電壓VGS存在.設在飽和區(qū)內,可近似看成iD不隨vDS變化。3.小信號模型分析工作在飽和區(qū)的漏極電流：靜態(tài)值（直流）動態(tài)值（漏極信號電流）非線性失真項當，vgs<<2(VGSQ-VT)時，小信號條件。忽略第三項。（1）低頻小信號模型考慮到ＮＭＯＳ管的iG=0,柵極－源極間的電阻很大，可看成開路，因此共源極ＮＭＯＳ管的低頻小信號模型如右圖所示．共源極ＮＭＯＳ管=0，rds＝∞時的低頻小信號模型（1）低頻小信號模型0，rds為有限值的低頻小信號模型直流分析已求得：

（2）放大電路分析（例5.2.5）小信號模型ss源電壓增益：（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏共漏5.3結型場效應管（JFET）結構與符號在一塊N型半導體材料兩邊擴散高濃度的P型區(qū)（用P+表示），形成兩個PN結。兩邊的P型區(qū)引出兩個歐姆接觸電極并連在一起稱為柵極。N型本體材料兩端各引出一個歐姆接觸電極，分別稱為源極和漏極。兩個PN結中間的N型區(qū)域稱為導電溝道。箭頭的方向表示柵結正向偏置時柵極電流方向由P指向N，所以從符號上就可識別d、s之間是N溝道。N溝道JFET

P溝道JFET結構與符號P溝道JFET工作原理N溝道場效應管工作條件：

在柵極與源極之間加負電壓(VGS<0)，柵極與溝道之間的PN結為反偏，柵極電流iG≈0。在漏極、源極之間加一定正電壓(VDS>0)，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成電流iD。iD的大小受vGS控制。vGS對iD的控制作用vDS對iD的影響（1）vGS對iD的控制作用

a．當vGS=0時NP+P+N型導電溝道sd=0溝道無變化g為討論方便，先假設vDS=0

b．vGS由0向負向增大時NP+P+N型導電溝道sd=0P+–+(a)在反偏電壓vGS作用下，PN結的耗盡層加寬(b)導電溝道變窄(c)導電溝道電阻增大gNP+P+N型導電溝道sd=0P+P+(a)PN結合攏(b)導電溝道夾斷c.vGS增大到某一定值|VP|時VP——柵源截止電壓或夾斷電壓–+g(c)漏源電阻無窮大以上分析表明，改變vGS<0的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。若在漏極、源極之間加上固定的正向電壓VDS，則由漏極流向源極的電流iD將受vGS

的控制，|vGS|增大時，溝道電阻增大，iD

減小。（2）vDS對iD的影響

NP+P+N型導電溝道sd=0–+ga．vDS=0時iD=0先從vGS

=0時開始討論NP+P+N型導電溝道sd=0–+b．0<vDS<|VP|(b)沿溝道有電位梯度，離源極越遠，柵極與溝道之間的電位差越大,PN結反偏電壓越大,耗盡層最寬(a)隨著vDS增大，電場強度加大,iD增大vDS(c)耗盡層向N型半導體中心擴展，溝道PN結呈楔形gNP+P+N型導電溝道sd=0–+P+c．vDS=|VP|（b）iD達到最大值,稱為飽和漏極電流IDSS。第二個S表示柵源極間短路。

?g耗盡層相遇

稱為預夾斷vGD=-vDS=VPvGD=vGS-vDS=VPd．vDS>|VP|NP+N型導電溝道sd=0P+–+(a)溝道夾斷區(qū)延長g(C)

從源極到夾斷處的溝道上，溝道內電場基本上不隨VDS改變而變化。iD幾乎不隨vDS的增大而變化，達到飽和。(b)

夾斷處場強也增大，仍能將電子拉過夾斷區(qū)形成漏極電流，3．當vDS

≥0時，vGS(〈0）對溝道的控制作用

a.vDS和vGS將一起改變溝道的寬度c.當vGD=|VP|時溝道出現(xiàn)預夾斷b.PN結在漏極端的反偏電壓vGD=

vGS–vDSNP+N型導電溝道sdP+–++–g(1)JFET是利用vGS

所產生的電場變化來改變溝道電阻的大小。(2)場效應管為一個電壓控制電流器件，iD受VGS控制。(5)在N溝道JFET中，vGS和VP均為負值。小結在P溝道JFET中，vGS和VP均為正值。(3)場效應管柵極、溝道之間的PN結是反向偏置的，因此iD≈0,

輸入電阻高。(4)預夾斷前iD與vGS呈近似線性關系，預夾斷后，iD趨于飽和。

4.1.2JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性在柵源電壓vGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關系。(1)

可變電阻區(qū)a.

vDS較小c.

柵源電壓愈負，輸出特性愈傾斜，漏源間的等效電阻愈大，管子相當于受vGS

控制的可變電阻b.

溝道尚未夾斷N溝道JFET輸出特性(2)恒流區(qū)放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、線性放大區(qū)。b.vDS≥

|VP|+vGSa.

溝道預夾斷c.iD幾乎與vDS無關d.

iD只受vGS的控制(3)擊穿區(qū)當漏源電壓增大到（最大漏源電壓）時，漏端PN結發(fā)生雪崩擊穿，iD

迅速上升。進入雪崩擊穿后管子不能正常工作，甚至很快被燒毀。所以管子不允許工作在這個區(qū)域。a.

vGS＜VP

(4)

截止區(qū)(夾斷區(qū))b.溝道完全夾斷c.

iD≈02．轉移特性在一定漏源電壓vDS下，柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制特性。轉移特性可以直接從輸出特性上用作圖法求得。管子工作于恒流區(qū)時函數(shù)表達式（b）轉移特性曲線

式中，O轉移特性曲線4．參數(shù)JFET的參數(shù)與耗盡型MOSET與基本相同（見表5.1.1）。4.4場效應管放大電路4.4.1FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析常用的偏置方式自偏壓電路分壓器式自偏壓電路直流偏置電路由FET組成的放大電路和BJT一樣，要建立合適的Q點。不同的是：FET是電壓控制器件，需要有合適的柵極電壓。1．自偏壓電路和BJT的射極偏置電路相似，在源極接入電阻R，就組成了自偏壓電路。對耗盡型FET即使在vGS=0時，也有漏源電流流過，電容C對R起旁路作用，稱為源極旁路電容。自偏壓電路靜態(tài)工作點的確定公式法：當管子工作于放大區(qū)時輸入回路方程兩式聯(lián)立可求得。2．分壓器式自偏壓電路在自偏壓電路的基礎上加接分壓電阻后組成的。漏極電源VDD經分壓電阻Rg1和Rg2分壓后，通過Rg3供給柵極電壓VG=Rg2VDD/(Rg1+Rg2)，同時漏極電流在源極電阻上也產生壓降VS=IDR。2．分壓器式自偏壓電路靜態(tài)工作點的確定VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VS=IDRVGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－ID(R+Rd

)

由此可以解出VGS、ID和VDS。[例]在圖示電路中，Rg1

=2kΩ，Rg2

=2kΩ

，VDD=18V，Rd=30kΩ，R=2kΩ，F(xiàn)ET的IDSS=0.5mA、VP=－1V。試確定Q點。[解]當管子工作于放大區(qū)時將有關數(shù)據(jù)代入上式，得vGSQ

=－0.22ViDQ=0.31mA4.3.3各種FET的特性比較及使用注意事項

見表4.3.1耗盡型增強型當時當時MOSFET符號增強型耗盡型gsdsgdP溝道gsdN溝道gsd場效應管的特點（與雙極型晶體管比較）(1)場效應管是一種電壓控制器件，即通過vGS來控制iD；雙極型晶體管是一種電流控制器件，即通過iB來控制iC。(2)場效應管的輸入端電流幾乎為零，輸入電阻非常高;雙極型晶體管的發(fā)射結始終處于正向偏置，有一定的輸入電流，基極與發(fā)射極間的輸入電阻較小。(3)場效應管是利用多數(shù)（一種極性）載流子導電的;在雙極型晶體管中二種極性的載流子（電子和空穴）同時參與了導電。(4)場效應管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱穩(wěn)定性較好，且存在零溫度系數(shù)工作點。(5)

場效應管的結構對稱，有時（除了