《模拟电子技术基础--ppt课件-第4章-场效应管及其放大电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术基础--ppt课件-第4章-场效应管及其放大电路.ppt（86页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、4 4 场效应管放大电路场效应管放大电路4.1 MOS4.1 MOS场效应管及其特性场效应管及其特性4.3 4.3 场效应管放大电路中的偏置场效应管放大电路中的偏置4.4 4.4 场效应管放大电路分析场效应管放大电路分析4.2 4.2 结型场效应管及其特性结型场效应管及其特性4 4 场效应管放大电路场效应管放大电路4 4 场效应管放大电路场效应管放大电路o场效应管场效应管（FET）是一种电压控制电流源是一种电压控制电流源器件。器件。o特点：特点：输入电阻大，温度稳定性好，制造输入电阻大，温度稳定性好，制造工艺简单，集成度高等。工艺简单，集成度高等。o由于由于FET是依靠一种载流子导电（电子或是
2、依靠一种载流子导电（电子或空穴），故又称空穴），故又称单极型三极管。单极型三极管。4 4 场效应管放大电路场效应管放大电路oFET的分类如下：的分类如下：oMOSFET是指它的结构为：是指它的结构为：金属金属氧化物氧化物半导体的半导体的场效应管。场效应管。Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor.4.1 MOS4.1 MOS场效应管及其特性场效应管及其特性4 4.1.1.1.1.1.1.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）o以以N沟道为例沟道为例，图，图3-1-13-1-1为为N-EM
3、OSFET的结构示意图。的结构示意图。o图（图（a a）结构示意图中，典型值）结构示意图中，典型值L=110m，W=2500m，氧化层，氧化层厚度范围厚度范围0.020.1m。从图（。从图（a a）可以看出，其物理结构为）可以看出，其物理结构为金属金属氧化物氧化物半导体的半导体的FET，故称为，故称为MOSFET。o图图4-1-1(b)4-1-1(b)是是N-EMOSFET的电路符号，图中衬底极的的电路符号，图中衬底极的箭头方向箭头方向是是PN结加正偏时的正向电流方向，说明衬底相连的是结加正偏时的正向电流方向，说明衬底相连的是P区，沟道是区，沟道是N型型的；电路符号中漏极的；电路符号中漏极D到
4、源极到源极S之间用虚线，表示初始时没有导电沟道，之间用虚线，表示初始时没有导电沟道，属于增强型。属于增强型。图图4-1-14-1-1（c c）是是当衬底当衬底U与源极与源极S相连时相连时N沟道沟道EMOSFET的简化电路符号的简化电路符号，图中箭头方向为实际电流的方向，图中箭头方向为实际电流的方向。图图4-1-1 N-EMOSFET的结构示意图的结构示意图和电路符号和电路符号 4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）1 1、结构、结构4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）2 2、工作原理、
5、工作原理o在一般情况下，源极在一般情况下，源极S与衬底与衬底U（或（或B）相连，即）相连，即 。o正常工作时，源区和漏区的两个正常工作时，源区和漏区的两个N+区与衬底之间区与衬底之间的的PN结结必须外加反偏电压，即漏极对源极的电压必须外加反偏电压，即漏极对源极的电压VDS 为正值。为正值。（1 1）栅源电压）栅源电压VGS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、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。当 0VGSVGS(th)（或或VT）(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
6、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。2.2.2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 ID，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，ID 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 ID 的控
7、制。当VGS VGS(th)（或（或VT）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，称此为反型层反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。我们把开始形成反型层的VGS电压值称为该管的开启电压开启电压VGS(th)（或（或VT）。I D 当VGSVT（V VGS(thGS(th)）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
8、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，则漏极端沟道消失，出现预夹断点预夹断点。A(2)(2)(2)(2)漏源电压漏源电压漏源电压漏源电压V VDSDS对沟道导电能力的影响对沟道导电能力的影响对沟道导电能力的影响对沟道导电能力的影响4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）
9、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送至漏区，形成漏极电流ID。当VDS增加到使VGD VT时，预夹断点向源极端延伸成小的预夹断区。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。4.1.1 4.1.1
10、增强型增强型MOSFET（EMOSFET）o根据以上分析，可以画出根据以上分析，可以画出VGSVGS(th)的一定值时，的一定值时，ID随随VDS变化的特性：变化的特性：o 当当VDS很小时，很小时，VDS对沟道深度（或宽对沟道深度（或宽度）的影响可以忽略，沟道电阻近似与度）的影响可以忽略，沟道电阻近似与VDS无关，则无关，则ID随随VDS的增大而线性增大。的增大而线性增大。o 随着随着VDS的增大，近漏极端的沟道宽度的增大，近漏极端的沟道宽度变窄，相应的沟道电阻增大，因而变窄，相应的沟道电阻增大，因而ID随随VDS增大而增大趋于缓慢。增大而增大趋于缓慢。o 当当VDS增大到增大到 时，时，近
11、漏极端的沟道被夹断近漏极端的沟道被夹断（pinch off），），称称为预夹断。为预夹断。当沟道当沟道预夹断后预夹断后，VDS继续继续增大对漏极电流增大对漏极电流ID几乎没有影响。几乎没有影响。VGS一定时一定时ID随随VDS变化的特性变化的特性4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFET（EMOSFET）（3 3 3 3）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应o实际上，实际上，沟道预夹断后沟道预夹断后，继续，继续增大增大VDS ，夹断点会略向源极，夹断点会略向源极方向移动，导致夹断点到源极方向移动，导致夹断点到源极之间沟道长度略有减小，相应之间沟道长度略有
12、减小，相应的沟道电阻也就略有减小，结的沟道电阻也就略有减小，结果使果使ID略有增大略有增大，如上图中虚，如上图中虚线所示。线所示。o通常将这种效应称为通常将这种效应称为沟道长度沟道长度调制效应调制效应，如图，如图3-1-53-1-5所示，沟所示，沟道长度道长度L随着随着VDS的增大而略有的增大而略有减小。减小。图图4-1-5 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFET（EMOSFET）3.3.MOSFET的特性曲线的特性曲线o在在MOSFET中，输入栅极电流是平板电容器的漏电流，中，输入栅极电流是平板电容器的漏电流，其值近似为零。所以，在共源极时，其值近
13、似为零。所以，在共源极时，MOSFET的伏安的伏安特性只需由输出特性曲线簇表示：特性只需由输出特性曲线簇表示：o （4-1-34-1-3）o图图4-1-64-1-6（a a）所示是）所示是N沟道增强型沟道增强型MOSFET的输出特的输出特性曲线族性曲线族。4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFET（EMOSFET）图图4-1-6(a)4-1-6(a)漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线3.3.MOSFET的特性曲线的特性曲线 由图可见，由图可见，它它与与NPN型三极管型三极管共发射极输出特共发射极输出特性曲线族相似性曲线族相似，同样可划分为四同样可划分为四个工作区，分别个工作区，分别称为：称
14、为：非饱和区非饱和区（可变电阻区）（可变电阻区）、饱和区饱和区(恒流区恒流区)、截止区截止区和和击穿区击穿区。4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFET（EMOSFET）（1 1）非饱和区（）非饱和区（或或变阻区变阻区或或可变电阻区）可变电阻区）o它是导电沟道未被预夹断时的工作区。它是导电沟道未被预夹断时的工作区。o工作条件为：工作条件为：VGSVGS(th)，VDSVGS(th)，VDSVGS-VGS(th)，如图，如图4-1-4-1-6 6（a a）虚线右面部分。如果忽略沟道长度调制效应，则当）虚线右面部分。如果忽略沟道长度调制效应，则当VDSVGS-VGS(th)时，时，ID将不变
15、，则可令将不变，则可令VDS=VGS-VGS(th)，代入式（代入式（3-1-43-1-4）中，得到饱和区的漏极电流为：）中，得到饱和区的漏极电流为：o （4-1-74-1-74-1-74-1-7）o上式表明，在这个工作区内，上式表明，在这个工作区内，ID受受VGS控制，而与控制，而与VDS无关（忽无关（忽略沟道长度调制效应时），构成受略沟道长度调制效应时），构成受VGS控制的控制的压控电流源压控电流源。4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET （EMOSFETEMOSFETEMOSFETEMOSFET）o注意：注
16、意：MOSFET的饱和区是与三极管的放大区相对应，但的饱和区是与三极管的放大区相对应，但MOSFET中中ID与与VGS之间是之间是平方律的平方律的，三极管中，三极管中IE与与VBE之间之间是指数律的。如果考虑是指数律的。如果考虑MOSFET中的沟道长度调制效应（曲线中的沟道长度调制效应（曲线略向上翘），则可加入修正项。略向上翘），则可加入修正项。o o （4-1-84-1-8）o式中式中 称为称为沟道长度调制系数沟道长度调制系数，其值与沟道长度，其值与沟道长度L有关，有关，L越小，相应的越小，相应的就越大，通常就越大，通常 。（2）饱和区）饱和区4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1
17、增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET （EMOSFETEMOSFET）（2 2）饱和区）饱和区oo当考虑当考虑当考虑当考虑MOSFETMOSFET的沟道长度调制效应后的沟道长度调制效应后的沟道长度调制效应后的沟道长度调制效应后，其输出特性曲线，其输出特性曲线族如上图，图中族如上图，图中VA一般为一般为3030200V200V。o当温度当温度 ，半导体中的，半导体中的电子迁移率电子迁移率n 减小减小，引起，引起ID下降。下降。同时衬底中的少子自由电子浓度增大而同时衬底中的少子自由电子浓度增大而引起引起VGS(th)减小减小，从，从而使而使ID增大。增大。o当当ID不是太小时，前者的影
18、响一般大于后者，结果使不是太小时，前者的影响一般大于后者，结果使ID具有具有负温度特性负温度特性，这种特性与三极管相反。，这种特性与三极管相反。它有利于提高它有利于提高MOSFET的热稳定性的热稳定性。4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）（2 2）饱和区）饱和区o根据式（根据式（4-1-84-1-8）可画）可画出出VDS一定时，一定时，ID随随VGS变化的曲线，如图变化的曲线，如图4-1-64-1-6（b b）所示，该曲）所示，该曲线称为线称为MOSFET的转移的转移特性曲线特性曲线。它是服从平它是服从
19、平方律关系的方律关系的。图图4-1-6(b)4-1-6(b)MOSFET的的 转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线 V VGSGS对对对对I ID D的控制特性的控制特性的控制特性的控制特性 转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线的斜率的斜率 gm 的大小反映了栅源电压的大小反映了栅源电压VGS对对漏极电流漏极电流ID的控制作用。的控制作用。其量其量纲为纲为mA/V，称，称gm为为跨导跨导。gm=ID/VGS Q（mS)ID=f(VGS)VDS=常数常数4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOS
20、FET）图图4-1-6(b)4-1-6(b)MOSFET的的 转移特性曲线转移特性曲线4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFETEMOSFETEMOSFET）（3 3）截止区：）截止区：o当当VGSVGS(th)时，导电沟道没有形成，因而时，导电沟道没有形成，因而ID=0=0，MOSFET工作于工作于截止区截止区。（4 4）击穿区）击穿区oMOSFET的击穿有以下三种：的击穿有以下三种：o当当VDS增大到足以使漏区与衬底间的增大到足以使漏区与衬底间的PNPN结引发雪崩击穿时，结引发雪崩击
21、穿时，ID迅速增大，迅速增大，MOSFET进入击穿区。进入击穿区。o 在沟道长度较短的在沟道长度较短的MOSFET中，随着中，随着VDS增大，沟道夹断点向源区方向增大，沟道夹断点向源区方向移动，直到夹断点移到源区时，夹断点电场就直接将源区中的电子拉到漏移动，直到夹断点移到源区时，夹断点电场就直接将源区中的电子拉到漏区，使区，使ID迅速增大。迅速增大。o 栅源电压栅源电压VGS过大，造成过大，造成SiO2绝缘层击穿，造成绝缘层击穿，造成MOSFET的永久性损坏。的永久性损坏。o事实上，事实上，MOSFETMOSFET栅极平板电容器的电容量很小，当带电物体或人靠近金属栅极平板电容器的电容量很小，当
22、带电物体或人靠近金属栅极时，其间产生的少量电荷就会产生大到足以击穿绝缘层的栅极时，其间产生的少量电荷就会产生大到足以击穿绝缘层的V VGSGS=Q/C=Q/C电压。电压。o为了防止击穿，为了防止击穿，MOSFET的输入端常接入二只背靠背的稳压管。如图的输入端常接入二只背靠背的稳压管。如图4-1-4-1-1010所示。所示。图图4-1-10 4-1-10 GS间间接入保护稳压管接入保护稳压管4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFET （EMOSFETEMOSFET）4 4、衬底效应、衬底效应o上面讨论了衬底与源极相连时的上面讨论了衬底与源极相
23、连时的 伏安特性曲线。伏安特性曲线。o在集成电路中，许多在集成电路中，许多MOSFET都制作在同一衬底上，都制作在同一衬底上，为了为了保证衬底与源区、漏区之间保证衬底与源区、漏区之间 PN 结反偏结反偏，衬底必须接在电衬底必须接在电路的最低电位上路的最低电位上。o如果某些如果某些MOSFET的源极不能处于电路的最低电位上，则的源极不能处于电路的最低电位上，则其源极与衬底就不能相连，它们之间就会作用着负值的电其源极与衬底就不能相连，它们之间就会作用着负值的电压压VUS或或VBS。o 在负值衬底电压在负值衬底电压VUS或或VBS作用下作用下，衬底中的一部分少衬底中的一部分少子子自由电子就要被衬底极
24、吸引自由电子就要被衬底极吸引，使导电沟道中的自由，使导电沟道中的自由电子数减少，从而引起电子数减少，从而引起导电沟道电阻增大，导电沟道电阻增大，ID减小减小。4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET （EMOSFETEMOSFETEMOSFETEMOSFET）4 4、衬底效应、衬底效应o图图4-1-114-1-11所示就是在不同所示就是在不同VUS时输出特性曲线和转移特时输出特性曲线和转移特性曲线的变化情况。由图可见：性曲线的变化情况。由图可见：oVUS与与VGS一样，也具有对一样，也具有对ID的控制作用，故又将衬
25、底的控制作用，故又将衬底电极称为电极称为背栅极背栅极。不过。不过VUS的控制作用远比的控制作用远比VGS小。小。o事实上，事实上，VUS对对ID的影响集中反映在对的影响集中反映在对VGS(th)的影响上，的影响上，VUS向负值方向增大，向负值方向增大，VGS(th)也就相应增大；因此，在也就相应增大；因此，在VGS一定时，一定时，ID就相应减小。就相应减小。图图4-1-11 4-1-11 不同不同V VUSUS对伏安特性曲线的影响对伏安特性曲线的影响4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）5 5、P P沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSF
26、ET（P-EMOSFETP-EMOSFET）o在在N型衬底中，扩散两个型衬底中，扩散两个P+区，分别作为源区和漏区，区，分别作为源区和漏区，并在两个并在两个P+区之间的区之间的SiO2绝缘层上覆盖金属层作为栅绝缘层上覆盖金属层作为栅极，就构成了极，就构成了P-EMOSFET，如图，如图4-1-124-1-12（a a）所示。）所示。图图4-1-12 4-1-12 P-EMOSFETP-EMOSFET4.1.1 4.1.1 增强型增强型MOSFETMOSFET（EMOSFETEMOSFET）5 5、P-EMOSFETP-EMOSFETo为了保证为了保证PN结反偏结反偏，且在绝缘层下形成反型层，衬
27、底必须接在电，且在绝缘层下形成反型层，衬底必须接在电路的最高电位上，且路的最高电位上，且VGS和和VDS必须为负值必须为负值（VGS0 0，VDS00 ）。）。在在VDS作用下，形成自源区流向漏区的空穴电流作用下，形成自源区流向漏区的空穴电流ID 。o电路符号如图电路符号如图4-1-124-1-12（b b）所示，）所示，图中衬底箭头方向图中衬底箭头方向表示表示PN结正偏结正偏时的正向电流方向。时的正向电流方向。o图图4-1-124-1-12（c c）是当衬底）是当衬底U与源极与源极S相连时的相连时的P-EMOSFET的简化电的简化电路符号，图中路符号，图中箭头方向为实际电流的方向箭头方向为实
28、际电流的方向。图图4-1-12 4-1-12 P-EMOSFETP-EMOSFET增强型MOS管特性小结绝缘栅场效应管N沟沟道道增强型P沟沟道道增强型4.1.2 4.1.2 耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET（DMOSFET）1 1、DMOSFETDMOSFET的结构的结构o耗尽型耗尽型MOSFET在在结构上与增强型类结构上与增强型类似，差别仅在于似，差别仅在于衬衬底表面扩散一薄层底表面扩散一薄层与衬底导电类型相与衬底导电类型相反的掺杂区反的掺杂区，作为，作为漏区与源区之间的漏区与源区之间的导电沟道导电沟道，如图，如图4-4-1-131-13和和4-1-144-1-14所示。所示。图图4-1
29、-13 N-DMOSFET图图4-1-14 P-DMOSFET4.1.2 4.1.2 耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET（DMOSFETDMOSFET）1 1、DMOSFET的结构的结构o图图4-1-134-1-13（a a）为）为N-DMOSFETN-DMOSFET的结构示意图，它在的结构示意图，它在P型衬底上型衬底上扩散一薄层扩散一薄层N型导电沟道型导电沟道。o图图4-1-144-1-14（a a）为）为P-DMOSFETP-DMOSFET的结构示意图，它在的结构示意图，它在N型衬底上型衬底上扩散一薄层扩散一薄层P型导电沟道型导电沟道。o它们的它们的电路符号电路符号与与EMOSFET的的
30、不同在于其中的虚线用实线取不同在于其中的虚线用实线取代，表示代，表示在在VGS=0=0时，导电沟道时，导电沟道已经存在已经存在。图。图4-1-134-1-13（c c）是当）是当衬底衬底U与源极与源极S相连时的相连时的N-N-DMOSFETDMOSFET的简化符号，图中的简化符号，图中中间中间粗线表示粗线表示VGS=0=0时有沟道存在时有沟道存在。o图图4-1-144-1-14（c c）是）是U与与S相连时相连时P-DMOSFET的简化符号。的简化符号。图图4-1-13 N-DMOSFET图图4-1-14 P-DMOSFET4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 耗尽型耗尽型耗尽型耗尽
31、型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET （DMOSFETDMOSFETDMOSFETDMOSFET）2 2、伏安特性、伏安特性o以以N-DMOSFETN-DMOSFET为例，为例，其输出特性和转移其输出特性和转移 特性分别如上图：特性分别如上图：o由图可见，由图可见，当当VDS一定，一定，VGS由零增大时由零增大时，作用在衬底上的电，作用在衬底上的电场增强，更多的电子从衬底吸引到导电沟道，使导电沟道变场增强，更多的电子从衬底吸引到导电沟道，使导电沟道变宽（加深），导电能力增强，宽（加深），导电能力增强，ID增大增大。o反之，反之，当当VGS由零向负值方向增大时由零向负值方向增大时，
32、沟道中的电子被排斥，沟道中的电子被排斥，沟道变窄，沟道的导电能力减弱，沟道变窄，沟道的导电能力减弱，ID减小减小，直到沟道消失，直到沟道消失，ID=0=0，MOSFET截止截止。o相应的相应的VGS电压称为电压称为夹断电压夹断电压。o事实上，事实上，夹断电压夹断电压也可理解为沟道开始形成时的也可理解为沟道开始形成时的开启电压开启电压。o本书中采用后一种名称，用本书中采用后一种名称，用VGS(th)表示（或者用表示（或者用VGS(off)表示）。表示）。图图4-1-15 N-DMOSFET的伏安特性曲线的伏安特性曲线4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型MOSF
33、ETMOSFETMOSFETMOSFET（DMOSFETDMOSFETDMOSFETDMOSFET）2 2、伏安特性、伏安特性oN-DMOSFET在非饱和区和饱和区的漏极电流在非饱和区和饱和区的漏极电流ID的的表达式表达式与与EMOSFET相同。相同。o非饱和区：非饱和区：（4-1-94-1-9）o饱和区：饱和区：（4-1-104-1-10）ooP-DMOSFETP-DMOSFET的特性也类似，与的特性也类似，与N-DMOSFETN-DMOSFET的差的差别仅在于电压极性和电流方向相反。别仅在于电压极性和电流方向相反。耗尽型MOSFET的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟沟道道耗尽型P 沟沟道道耗尽
34、型4.1.3 4.1.3 4.1.3 4.1.3 四种四种四种四种 MOSFET MOSFET 的比较的比较的比较的比较 MOS场效应管场效应管(MOSFET）分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，N沟道 P沟道 增强型N沟道 P沟道 耗尽型4.1.3 4.1.3 4.1.3 4.1.3 四种四种四种四种 MOSFET MOSFET 的比较的比较的比较的比较o四种四种MOSFETMOSFET（衬底极与源极相连，即（衬底极与源极相连，即VUS=0）的特）的特性见表性见表3-1-13-1-1中。中。表表4-1-1 4-1-1 四种四种MOS
35、FET特性的比较（特性的比较（V VUSUS=0=0）（书上）（书上P.P.）oN-MOSFET：（无论增强型还是耗尽型），（无论增强型还是耗尽型），ID为为电子电流，电子电流，VDS必须为正值必须为正值；为了保证；为了保证PN结反偏，衬结反偏，衬底必须接在电路中的最低电位上。底必须接在电路中的最低电位上。oP-MOSFET：（E E型或型或D D型），型），ID为空穴电流，为空穴电流，VDS必须为负值必须为负值；为了保证；为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路结反偏，衬底必须接在电路的最高电位上。的最高电位上。4.1.3 4.1.3 4.1.3 4.1.3 四种四种四种四种 MOSFET MO
36、SFET 的比较的比较的比较的比较对于对于VGS电压：电压：oE-MOSFET的的VGS是单极性的。其中是单极性的。其中N沟道为正电压沟道为正电压，P P沟道为负电压沟道为负电压。oD-MOSFET的电压可正可负。的电压可正可负。共同特性：共同特性：oN-MOSFET，VGS越向正值方向增大，沟道越宽，越向正值方向增大，沟道越宽，ID越大。越大。oP-MOSFET，VGS越向负值方向增大，沟道越宽，越向负值方向增大，沟道越宽，ID越大。越大。图图4-1-16 4-1-16 四种四种四种四种 MOSFETMOSFET的转移特的转移特的转移特的转移特性性性性(工作在饱和区工作在饱和区工作在饱和区工
37、作在饱和区)4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 MOSFET MOSFET 的小信号的小信号的小信号的小信号 等效电路模型等效电路模型等效电路模型等效电路模型 1 1、小信号电路模型、小信号电路模型o在在MOSFET（E E型或型或D D型）的型）的衬底与源极相连衬底与源极相连，且，且工作工作在饱和区在饱和区的条件下，的条件下，设直流量上叠加交流量设直流量上叠加交流量设直流量上叠加交流量设直流量上叠加交流量，即，即o ，。o且交流量足够小，仿照半导体三极管的推导方法，求且交流量足够小，仿照半导体三极管的推导方法，求得：得：o或或o画出相应的画出相应的小信号等效电路模型小信号等效电路
38、模型小信号等效电路模型小信号等效电路模型（相当于三极管的混（相当于三极管的混合合模型，且模型，且 ）图图4-1-17 4-1-17 MOSFETMOSFET的小信的小信的小信的小信号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 MOSFET MOSFET 的小信的小信的小信的小信 号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型1 1、小信号电路模型、小信号电路模型o图中，图中，gm称为称为跨导跨导，表示，表示正向受控作用正向受控作用（vgs对对id的控制）的控制）o 称为称为输出电阻输出电阻o经分析：经分析：（4-1-114-1
39、-11）o （4-1-124-1-12）o当忽略当忽略MOSFET的沟道长度调制效应时，即的沟道长度调制效应时，即=0=0或或|VA|=，o则则rds=，等效电路模型可进一步简化等效电路模型可进一步简化。图图4-1-17 4-1-17 MOSFETMOSFET的小信的小信的小信的小信号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 MOSFET MOSFET 的小信号等效电路模型的小信号等效电路模型的小信号等效电路模型的小信号等效电路模型2 2、T等效电路模型等效电路模型o将上述小信号等效将上述小信号等效电路模型经转换电路模型经转换后可得后
40、可得 T 等效电等效电路模型路模型（转换过（转换过程省略）程省略）4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 MOSFET MOSFET 的小信的小信的小信的小信 号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型号等效电路模型3 3、考虑衬底效应的模型、考虑衬底效应的模型o若衬底极与源极不相连，若衬底极与源极不相连，且其间存在交流量，且其间存在交流量，o则也可等效为一个受控电流源则也可等效为一个受控电流源gmuvus，如图，如图3-1-193-1-19所示。所示。ogmu称为称为衬底（或背栅极）跨导衬底（或背栅极）跨导，表示，表示vus对漏极电流对漏极电流id的的控制能力，控制能力，o式中，式中
41、，为常数（有时也称为为常数（有时也称为放大因子放大因子），一般为），一般为图图图图4-1-19 4-1-19 考虑衬底效应的考虑衬底效应的考虑衬底效应的考虑衬底效应的 小信号等效电路模型小信号等效电路模型小信号等效电路模型小信号等效电路模型4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 MOSFET MOSFET 的小信号等效电路模型的小信号等效电路模型的小信号等效电路模型的小信号等效电路模型4 4、高频小信号电路模型、高频小信号电路模型o其中：其中：Cgs为栅源极间电容；为栅源极间电容；Cgd为栅漏极间电容；为栅漏极间电容；oCgu为栅极与衬底之间的电容；为栅极与衬底之间的电容；Cdu为漏区
42、与衬底之间为漏区与衬底之间PNPN结的势垒电容；结的势垒电容；oCus为源区与衬底之间为源区与衬底之间PN结的势垒电容；结的势垒电容；Cds为漏源极间电容。为漏源极间电容。o当衬底与源极相连时，当衬底与源极相连时，等效电路可简化为如图等效电路可简化为如图4-1-194-1-19（b b）所示。图中所示。图中Cgu已含在已含在Cgs中，中，Cdu一般很小，可忽略。一般很小，可忽略。o例例4-1-1 P.4-1-1 P.（自己看）（自己看）图图图图4-1-19 4-1-19 高频小信号电路模型高频小信号电路模型高频小信号电路模型高频小信号电路模型(a)MOSFET的高频小信号电路模型的高频小信号电
43、路模型(b)简化的高频小信号电路模型简化的高频小信号电路模型 4 4.2.2 结型场效应管及其特性结型场效应管及其特性4.2.1 JFET4.2.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.1.结构：结构：2.结型场效应管（结型场效应管（JFET）有两种导电类型，分别称为N沟道沟道和P沟道沟道。下图为JFET的结构示意图：N沟道结型场效应管结型场效应管P沟道结型场效应管结型场效应管图中箭头方向箭头方向表示PN结加正偏时栅极电流的实际流动方向！4.2.1 JFET4.2.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理4.2.1 JFET4.2.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2.2
44、.工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时（以以N沟道沟道JFET为例为例）当沟道当沟道夹断断时,对应的的栅源源电压VGS称称为夹断电压夹断电压VP（或或VGS(off)）。）。对于于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏反偏耗尽耗尽层加厚加厚沟道沟道变窄。窄。VGS继续减小，沟道减小，沟道继续变窄窄4.2.1 JFET4.2.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，VDS ID G、D间PN结的反向的反向电压增加，使增加，使靠近漏极靠近漏极处的耗尽的耗尽层加加宽，沟道，沟道变窄，从上至下呈楔形分
45、布。窄，从上至下呈楔形分布。当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在，在紧靠漏极靠漏极处出出现预夹断预夹断。此此时VDS 夹断区延断区延长沟道沟道电阻阻 ID基本不基本不变4.2.1 JFET4.2.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP VGS0 时，导电沟道更容易夹断导电沟道更容易夹断（相对于相对于VGS=0时时）在在预夹断断处VGD=VGS-VDS=VP 通过上述分析可见，在通过上述分析可见，在JFET中，沟道的导电能力中，沟道的导电能力受受VGS和和VDS的控制与的控制与MOSFET类似，不同的是类似，不同的是JFET是通过是通
46、过改变改变PN结结耗尽层的宽度耗尽层的宽度来实现的，所以将这种来实现的，所以将这种器件称为器件称为结型场效应管结型场效应管。4.2.1 JFET4.2.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电多数载流子参与导电，所以场效应管也称为所以场效应管也称为单极型三极管单极型三极管。JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制控制预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。#问题问题：为为什么什么什么什么JFETJFET的的的
47、的输输入入入入电电阻比阻比阻比阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFETJFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高输入电阻很高。4.2.2 JFET4.2.2 JFET的伏安特性的伏安特性2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 VP#JFETJFET有正常放大作用有正常放大作用有正常放大作用有正常放大作用时时，沟道，沟道，沟道，沟道处处于什么状于什么状于什么状于什么状态态？（预夹预夹断）断）断）断）4.2.2 JFET4.2.2 JFET的伏安特性的伏安特性（1 1）非饱和区）非饱和区(可变电阻区可变电阻区)o式中
48、式中IDSS是是VGS=0、VDS=-VGS(off)时的漏极电流。时的漏极电流。图图图图4-2-5 N4-2-5 N4-2-5 N4-2-5 N沟道沟道沟道沟道JFETJFET的输出特性曲线族的输出特性曲线族的输出特性曲线族的输出特性曲线族4.2.2 JFET4.2.2 JFET的伏安特性的伏安特性（2 2）饱和区（夹断）饱和区（夹断）o不考虑沟道长度调制效应时：不考虑沟道长度调制效应时：o考虑沟道长度调制效应时：考虑沟道长度调制效应时：o 其中，其中，|VA|的典型值为的典型值为5050100V100V。根据上式可画出根据上式可画出VDS一定时一定时JFET的转移特性曲线的转移特性曲线。图
49、图图图4-2-5 N4-2-5 N4-2-5 N4-2-5 N沟道沟道沟道沟道JFETJFET的输出特性曲线族的输出特性曲线族的输出特性曲线族的输出特性曲线族图图图图4-2-6 N4-2-6 N4-2-6 N4-2-6 N沟道沟道沟道沟道JFETJFET看作压控电流源看作压控电流源看作压控电流源看作压控电流源 （大信号模型）（大信号模型）（大信号模型）（大信号模型）4.2.2 JFET4.2.2 JFET的伏安特性的伏安特性（3 3）截止区）截止区o条件：条件：，o沟道被夹断沟道被夹断 ID=0=0 。（4 4）击穿区）击穿区o当当VDS增大到一定值时，近增大到一定值时，近漏极端的漏极端的PN
50、结发生雪崩击结发生雪崩击穿使穿使ID剧增，相应的剧增，相应的VDS称称为为漏极击穿电压漏极击穿电压，用，用V(BR)DS表示。表示。对于对于P沟道沟道JFET，为保证，为保证PN结反偏，要求结反偏，要求VGS0，VDSVG，MOSFET截止，不截止，不符合题意，舍去。符合题意，舍去。o所以：所以：ID=0.5mA，o由于由于VDS=VD-VS=4VVGS-VGS(th)，说明，说明MOSFET确实工作在饱和确实工作在饱和状态，假设成立状态，假设成立。4.3.2 4.3.2 分立元件场效应管放大器的偏置分立元件场效应管放大器的偏置oFET与与三极管三极管相似，也是一种非线性器件，若要使相似，也是