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1、5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应2021/9/121P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强
2、型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：2021/9/1225.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L（动画动画2-3）2021/9/1235.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号2021/9/124二、二、工作原理工作原理栅源电压栅源电压V VGSGS的控制作用的控制作用 当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离，因此，即使在D、
3、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。当 0VGSVT(开启电压)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。2021/9/125 把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下，I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。当V
4、GSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。I D2021/9/126漏源电压漏源电压V VDSDS对沟道导电能力的影响对沟道导电能力的影响 当VGSVT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID，当ID从D S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大，为VGS，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直
5、到漏极端，栅漏间电压最小，其值为：VGD=VGS-VDS,由此感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断。A2021/9/127 当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。当VDS增加到使VG
6、DVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。2021/9/128可变电阻区可变电阻区(resistive region)饱和区饱和区恒流区（恒流区（constant current region）放大区放大区夹断区（夹断区（cutoff rigion）截止区截止区1.输出特性输出特性vGD=vGS-vDS=VT三、特性曲线及特性方程三、特性曲线及特性方程2021/9/129可变电阻区：可变电阻区：
7、饱和区：饱和区：可变电阻区特性曲线原点附近：可变电阻区特性曲线原点附近：n：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox：栅栅极极（与与衬衬底底间间）氧氧化层单位面积电容化层单位面积电容Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2是是vGSGS2 2VT时的时的iD D 2021/9/1210 vGS VT 时，时，iD=0；vGS VT时，时，iD随随vGS增大而增大。增大而增大。2、转移特性、转移特性3、转移特性与漏极特性间的关系、转移特性与漏极特性间的关系在漏极特性上在漏极特性上,对应某一对应某一vDS,作一垂直线；作一垂直线；该垂线与各漏极特性相交得到一组交点；该垂线
8、与各漏极特性相交得到一组交点；由各交点所对应的由各交点所对应的vGS 和和iD值可画出对应的转移特性。值可画出对应的转移特性。2021/9/12112021/9/1212 5.1.2 N 5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFETP沟道沟道 N沟道沟道PNP NPN一、结构与符号一、结构与符号2021/9/1213二、工作原理二、工作原理4.vGS0预埋在绝缘层预埋在绝缘层中的正离子能中的正离子能感应出负电荷感应出负电荷感应出的负电荷在漏源间形成感应出的负电荷在漏源间形成导电沟道，形成漏极电流导电沟道，形成漏极电流3.vGS0感应出的感应出的负电荷减少负电荷减少漏源间形成漏源间
9、形成导电沟道变窄导电沟道变窄漏极电流漏极电流iD减小减小2.vGS0 vDS 0感应电荷增多感应电荷增多漏源间形成漏源间形成导电沟道变宽导电沟道变宽漏极电流漏极电流iD增大增大2021/9/1214(1.输出特性输出特性 2.转移特性转移特性)三、特性曲线三、特性曲线2021/9/1215 5.1.3 P5.1.3 P沟道沟道MOSFETMOSFET一、符号一、符号二、特性曲线二、特性曲线vGS|VP|时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。2.夹断电压夹断电压VP（耗尽型）（耗尽型）vDS一定时，使漏极电流一定时，使漏极电流iD下降至微小电流的下降至微小电流的vGS。1.开启电压开启电压VT（增
10、强型）（增强型）vDS一定时，使漏极电流一定时，使漏极电流iD等于微小电流的等于微小电流的vGS。2021/9/1220二、交流参数二、交流参数2.低频互导（跨导）低频互导（跨导）gm 用以描述栅源电压用以描述栅源电压vGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用，相当于转移特性的控制作用，相当于转移特性上工作点的斜率，表征上工作点的斜率，表征FET的放大能力，相当于双极型三极管的的放大能力，相当于双极型三极管的。单位单位:mS或或S1.输出电阻输出电阻rds 用以描述漏源电压用以描述漏源电压vDS 对漏极电流对漏极电流iD的影响，相当于漏极特性上某点的影响，相当于漏极特性上某点切线斜率的倒数。饱
11、和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。切线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。2021/9/1221三、极限参数三、极限参数3.最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 指发生雪崩击穿时，漏极电流指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的急剧上升时的vDS。与。与vGS有关。有关。4.最大栅源电压最大栅源电压 V(BR)GS 指指PN结电流开始急剧增大时的结电流开始急剧增大时的vGS。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM 指管子正常工作时漏极电流允许的上限值。指管子正常工作时漏极电流允许的上限值。2.最大耗散功率最大耗散功率PDM 由由PDM=VDS ID决定，在管子内部将变成
12、热能，使管子的温度升高，决定，在管子内部将变成热能，使管子的温度升高，为了使管子温度不致升的太高，限制其耗散功率不能超过为了使管子温度不致升的太高，限制其耗散功率不能超过PDM。2021/9/12225.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2.小信号模型分析小信号模型分析*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路3.MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较2021/9/12231 1 简单的共源极放大电路简单的共源极放大电路一、静态工作点的计算一、静态工作点的计算注意：
13、通过判断注意：通过判断VDS是否是否大于大于VGS-VT，来确定管，来确定管子工作在饱和区还是可子工作在饱和区还是可变电阻区。变电阻区。当当VGSVT，管子截止。，管子截止。2021/9/1224例题例题:电路如图所示，设电路如图所示，设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.2mA/V2。试计算电路的静态漏极电流。试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压和漏源电压VDSQ。假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）放大区）满足满足解：解：2021/9/12252 2 带源极电阻的带源极电阻的NMOSNMOS共源极放大电路共源极放大电路静态工作点的计算
14、静态工作点的计算射极电阻也射极电阻也具有稳定静具有稳定静态工作点态工作点2021/9/1226例题例题:电路如图所示，设电路如图所示，设VT=1V，Kn=500A/V2，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10k，R=0.5k，ID=0.5mA。若流过。若流过Rg1 和和Rg2的电流是的电流是ID的的1/101/10，试确定，试确定Rg1和和Rg2的值。的值。2021/9/1227例题例题:电路如图所示，由电流源提供偏置（可由其它电路如图所示，由电流源提供偏置（可由其它MOSMOS管构成）。设管构成）。设NMOSNMOS管的参数为管的参数为Kn=160A/V2，VT=1V，VDD=VSS=5
15、V，IDQ=0.25mA，VDQ=2.5V。试求电路参数。试求电路参数。静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID IVS VG VGS（饱和区）（饱和区）VDS VD VS =VDDIDRD VS 2021/9/1228二、小信号模型二、小信号模型产生谐波或产生谐波或非线性失真非线性失真漏极信号漏极信号电流电流=0=0=0=0 0 0 0 02021/9/1229例题例题5.2.4:电路如图所示，电路如图所示，设设VDD=5V，Rd=3.9k，VGS=2V，VT=1V，Kn=0.8mA/V2，=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路试当管工作在饱和区时，试确定电路的小信号电压增
16、益。的小信号电压增益。共源极放大电路共源极放大电路2021/9/1230例题例题5.2.5:5.2.5:电路如图所示，设电路如图所示，设Rg1=150k，Rg2=47k，VT=1V，Kn=500A/V2，=0=0，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10k，R=0.5k，Rs=4k。求电路的电压增益。求电路的电压增益和源电压增益、输入电阻和输出电阻。和源电压增益、输入电阻和输出电阻。2021/9/1231例题例题:电路如图所示，耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱电路如图所示，耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，和区，rds很大，可忽略。试画出小信号等效电路
17、，求出输入电阻、小信号电压很大，可忽略。试画出小信号等效电路，求出输入电阻、小信号电压增益、源电压小信号增益和输出电阻增益、源电压小信号增益和输出电阻。共漏极放大电路（源极跟随器）共漏极放大电路（源极跟随器）2021/9/12322021/9/12333.MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较(p.221)共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路(源极输出器）源极输出器）共栅极放大电路共栅极放大电路2021/9/12345.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5
18、.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 2021/9/12355.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？2021/9/1236栅源电压栅源电压V VGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用 当VGS0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大；VGS更负，沟道更窄，直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。2.2.工作原理工作原理 (以以N N沟道结型场效应管为例）沟道结型场效应管为例
19、）2021/9/1237漏源电压漏源电压V VDSDS对对i iD D的影响的影响 在栅源间加电压在栅源间加电压VGSVP，漏源间加电压，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点，随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸
20、长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。2021/9/1238综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，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所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制预夹断前预夹断前i iD D与与v vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，i iD D趋于饱和。趋于饱和。#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的
21、输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。2021/9/12395.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性转移特性 VP1.输出特性输出特性 2021/9/1240漏极输出特性漏极输出特性1 1、可变电阻区、可变电阻区2 2、饱和区、饱和区3 3、截止区、截止区当大于某值当大于某值时，不同的时，不同的转移特性很转移特性很接近接近转移特性转移特性2021/9/12415.3.3 J
22、FET5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法一一一一.JFET.JFET的小信号模型的小信号模型的小信号模型的小信号模型2021/9/1242二、分压器式自偏压电路（共源极电路）二、分压器式自偏压电路（共源极电路）1.静态分析静态分析2021/9/1243输出电阻输出电阻 输入电阻输入电阻电压放大倍数电压放大倍数2.小信号模型小信号模型倒相电压放大倒相电压放大电路电路2021/9/1244例题：在图示电路中在图示电路中,已已知知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，VP=-1V，IDSS=0.5mA，且，且=0，
23、试确定试确定Q。2021/9/1245 共漏极放大电路共漏极放大电路如图示。试求如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电中频电压增益、输入电阻和输出电阻。阻。（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻得得 解：解：（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型由由例题例题2021/9/1246（4 4）输出电阻）输出电阻所以所以由图有由图有例题例题2021/9/1247 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路则电压增益为则电压增益为例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。根据电路有根
24、据电路有由于由于则则2021/9/12485.5 各种放大器件性能比较各种放大器件性能比较1.1.耗尽型场效应管包含了耗尽型场效应管包含了JFETJFET和耗尽型和耗尽型MOSFETMOSFET；2.2.增强型场效应管仅包含增强型增强型场效应管仅包含增强型MOSFETMOSFET。BJT放大电路的三种组态：放大电路的三种组态：共发射极（共发射极（CE）、共集电极（）、共集电极（CC）、共基极（）、共基极（CB）。）。JFET和和MOSFET放大电路的三种组态：放大电路的三种组态：共源极（共源极（CS）、共漏极（）、共漏极（CD）、共栅极（）、共栅极（CG）。）。两类放大元件的三种通用组态：两类
25、放大元件的三种通用组态：1反相电压放大器：反相电压放大器：共发射极（共发射极（CE）、共源极（）、共源极（CS）2电压跟随器：电压跟随器：共集电极（共集电极（CC）、共漏极（）、共漏极（CD）3电流跟随器：电流跟随器：共基极（共基极（CB）、共栅极（）、共栅极（CG）5.5.2 5.5.2 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.5.1 5.5.1 各种各种各种各种FETFET的特性比较的特性比较的特性比较的特性比较2021/9/1249双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应管(单极型三极管)结
26、构结构 NPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 PNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制 电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)2021/9/1250 双极型三极管 场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小较小输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成2021/9/1251结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型2021/9/1252绝 缘 栅 场 效 应 管N沟道增强型P沟道增强型2021/9/1253绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型2021/9/1254结型场效应管的的特性小结特性小结结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型2021/9/1255