第四章-MOSFET及其放大電路

1第四章

MOSFET及其放大電路場(chǎng)效應(yīng)三極管中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道概述FET特點(diǎn)：

輸入電阻高，一般為1兆歐到幾百兆歐。工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。

比BJT更具有溫度穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)電路。

場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對(duì)應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對(duì)應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。圖4.1MOSFET的符號(hào)虛線表示溝道在施加外電壓后才形成－增強(qiáng)型實(shí)線表示溝道在施加外電壓前就存在－耗盡型箭頭朝里表示N溝道箭頭朝外表示P溝道4.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.1結(jié)構(gòu)－

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)耗盡層高摻雜SiO2絕緣層襯底1.四個(gè)極均未加電壓時(shí)兩個(gè)PN結(jié)，即使在漏極和源極之間施加電壓，它們之間也不會(huì)產(chǎn)生電流。4.1.2工作原理P型襯底N+SGDBN+P型襯底N+SGDBN+N型溝道VGG2.導(dǎo)電溝道的形成假設(shè)VDS=0，同時(shí)VGS

>0

在柵極和襯底之間施加的電壓VGB>0，形成自上而下的電場(chǎng)，該電場(chǎng)隨電壓的增大而加強(qiáng)。在電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的多子（空穴）向襯底下部移動(dòng)，少子（電子）被吸引到G極并在sio2表面積累。若增大VGS

，則電子積累得越多，直到感應(yīng)的電子能在漏極和源極之間形成可測(cè)電流（即VGS增加到足夠大），此時(shí)N型導(dǎo)電溝道形成，又稱反型層。VTN稱為門限電壓當(dāng)VGS>VTN時(shí)形成導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道隨VGS

增大而增寬。由于VGS=0時(shí)不存在溝道，需依靠柵極與源極（襯底）之間的正向偏置電壓來“增強(qiáng)”，形成“感應(yīng)電荷”，所以這種場(chǎng)效應(yīng)管稱為增強(qiáng)型的MOSFET。3.VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響VGS為某一個(gè)大于VTN的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，有電流ID

產(chǎn)生。P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響ID①當(dāng)VDS很小（幾百mV以內(nèi)）時(shí)，溝道的厚度在整個(gè)溝道上基本不變，漏極電流iD隨VDS的增加而增大。3.VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響②隨著VDS的增大，氧化物下部靠近漏極端的電壓降低（∵VGS不變，∴VGD=VGS-VDS變小），即靠近漏極端的溝道變窄（溝道在此處的導(dǎo)電能力下降，從而導(dǎo)致iD關(guān)于VDS的特性曲線的斜率降低），但漏極電流iD依然隨VDS的增加而增大。溝道的性質(zhì)類似于可變電阻的性質(zhì)，故稱該區(qū)域?yàn)榭勺冸娮鑵^(qū)。3.VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響③當(dāng)VDS增大到使VGD=VTN時(shí)（即VDS=VDS（sat）時(shí))，

靠近漏極端的反型層電荷密度為0，溝道處于預(yù)夾斷狀態(tài)，iD達(dá)到臨界飽和狀態(tài)。P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響P型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDDUDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDD④當(dāng)

隨著

繼續(xù)增大，溝道處于部分夾斷狀態(tài)漏極電流

基本保持不變，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管工作在不再隨的增加而增加）或放大區(qū)。3.VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響IDP型襯底N+N+SGDBVGGN型溝道VDD飽和區(qū)（即達(dá)到了飽和uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻圖4.5導(dǎo)電溝道形成過程轉(zhuǎn)移特性曲線IDOVTN2VTN預(yù)夾斷軌跡電阻區(qū)放大區(qū)ID/mAVDS/VOUGS/VID/mAO截止區(qū)VGS=6VVGS=5VVGS=4VVGS=3V=VTNVGS=7V4.1.3特性曲線開啟電壓輸出特性曲線4.1.4電流—電壓關(guān)系1、電阻區(qū)：

放大區(qū)：

為N溝道元件的傳導(dǎo)參數(shù)。(4.2)(4.3)2、跨導(dǎo)

gm設(shè)MOSFET工作于放大區(qū)種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性MOSFET增強(qiáng)型N溝道MOSFET增強(qiáng)型P溝道SGDBvGSiDOVTN+VGS=VTNvDSiD+++OiDvGSVTNO_iDVGS=VTNvDS_o_SGDBID第四章

MOSFET及其放大電路一、場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法

根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間加極性合適的電源1.基本共源放大電路4.2MOSFET的偏置電路2.分壓式偏置電路為什么加Rg3?其數(shù)值應(yīng)大些小些？即典型的Q點(diǎn)穩(wěn)定電路[分析指南]MOSFET電路的直流分析求VGS，VGS>VTN?假設(shè)工作在放大區(qū)ID=Kn(VGS-VTN)2假設(shè)工作在電阻區(qū)ID=Kn[2(VGS-VTN)VDS-VDS2]工作在截止區(qū)VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失敗VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失敗是否是是否否二、場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析[例4.2]目的：計(jì)算N溝道增強(qiáng)型MOSFET共源極電路的漏極電流和漏源電壓。

電路如4.8所示。設(shè)R1=30kΩ，R2=20kΩ，RD=20kΩ，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.1mA/V2。求ID和VDS。解：=×5=2V>VTN假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管處于放大狀態(tài)，則：=0.1×(2-1)=0.1mA=5-0.1×20=3V因?yàn)?-1=1V,所以假設(shè)成立，即場(chǎng)效應(yīng)管確實(shí)處于放大狀態(tài)，上述分析是正確的。說明：如果不滿足漏極電流的計(jì)算要采用公式：，則場(chǎng)效應(yīng)管處于電阻區(qū)，[例4.3]目的：計(jì)算N溝道增強(qiáng)型MOSFET的柵源電壓、漏源電流和漏源電壓。電路如圖4.9所示。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為VTN=1V，Kn=0.5mA/V2。求VGS、ID和VDS。

RS的作用－穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)圖4.9帶源極電阻的直流偏置電路假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管處于放大區(qū)，則：即假設(shè)成立，場(chǎng)效應(yīng)管處于放大區(qū)。另兩種假設(shè)（電阻區(qū)或截止區(qū)）導(dǎo)致無解。解：由上兩式可得：VGS=2.65V或VGS=-2.65V(舍去）

ID=1.35mA第四章

MOSFET及其放大電路4.3MOSFET放大電路的交流電路單級(jí)MOSFET放大器的三種基本組態(tài)：共源極放大電路共漏極放大電路共柵極放大電路增強(qiáng)型負(fù)載4.3.1MOSFET放大電路的線性化分析原理

圖4.16MOSFET的轉(zhuǎn)移特性圖4.17共源極電路

圖4.18輸入輸出電壓信號(hào)波形

直流負(fù)載線臨界飽和線vDS=vGS-VTN=vDS（sat）1．跨導(dǎo)

gm設(shè)MOSFET工作于放大區(qū)4.3.2MOSFET放大電路線性化模型的交流參數(shù)若則=IDQ令則跨導(dǎo)也可以通過求微分得到:注：跨導(dǎo)gm與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。2.交流輸出電阻rds

MOSFET工作于放大區(qū)時(shí)，漏極電流iD與漏源電壓vDS無關(guān)?

實(shí)際MOSFET的iD-vDS特性曲線在放大區(qū)的斜率不為零。當(dāng)vDS>vds(sat)時(shí)，出現(xiàn)溝道長(zhǎng)度調(diào)制。類似于BJT的基區(qū)寬調(diào)效應(yīng)。對(duì)N溝道增強(qiáng)型MOSFET，這種傾斜現(xiàn)象可以用下式校正：如何確定λ－溝道長(zhǎng)度調(diào)制參數(shù)？所有曲線的反向延長(zhǎng)線都與電壓軸相交于vDS=-VA處，電壓VA為正，它與雙極型晶體管的Early電壓相似。令iD=0可得λ＝1/VA。4.3.3MOSFET放大電路的交流小信號(hào)線性模型圖4.20N溝道增強(qiáng)型MOSFET的放大區(qū)交流小信號(hào)線性模型[例4.9]目的：確定MOSFET的小信號(hào)電壓增益。電路如圖4.17所示。設(shè)VGSQ=2.12V，VDD=5V，RD=2.5kΩ。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為VTN=1V，Kn=0.80mA/V，λ=0.02V-1。該場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)。求AV=vo/vi。解題思路：求IDQ求交流參數(shù)gm和rDS畫交流小信號(hào)等效電路求AV、Ri、Ro等解：=0.8×(2.12-1)=1.0mA

=5-1×2.5=2.5V

因此

2.5V=2.12-1=1.12V

場(chǎng)效應(yīng)管確實(shí)工作于放大區(qū)。

跨導(dǎo)

＝2×0.8×(2.12-1)=1.79mA/V

輸出電阻

K

由圖4.21可求得輸出電壓為

∥由于

，所以小信號(hào)電壓增益為

=∥=-1.79×(50∥2.5)=-4.26

說明：由于MOSFET的跨導(dǎo)較小，因此與雙極型晶體管放大電路相比，MOSFET放大電路的小信號(hào)電壓增益也較小。小信號(hào)電壓增益為負(fù)，表明輸出電壓與輸入電壓的相位相差180°，即反相。第四章

MOSFET及其放大電路4.3/4.4MOSFET放大電路的三種基本組態(tài)共源極放大電路共漏極放大電路共柵極放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析近似分析