模电部分第4章(潘)场效应管放大器.ppt

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1、第四章第四章 场效应管放大器场效应管放大器 导电沟通：导电沟通：从参与导电的载流子来划分，从参与导电的载流子来划分，它有它有自由电子导电自由电子导电的的N沟道器件沟道器件和和空穴导电的空穴导电的P沟道器件沟道器件。场效应管：场效应管：场效应晶体三极管是场效应晶体三极管是由一种载流子由一种载流子（多子）（多子）导电导电的的、用输入电压控用输入电压控制输出电流制输出电流的半导体器件，具有的半导体器件，具有输入阻抗高，温度稳定性好的特点。输入阻抗高，温度稳定性好的特点。分类：分类：按照场效应三极管的结构划分，有按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管结型场效应管和和绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管

2、两大类。两大类。器件外形：器件外形：N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G栅极栅极S源极源极D漏极漏极一、结构一、结构导电沟道导电沟道PN结（耗尽层）结（耗尽层）4.1 结型场效应管结型场效应管:4.1.1 结构和工作原理结构和工作原理PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSN沟道结型场效应管沟道结型场效应管NPPG栅极栅极S源极源极D漏极漏极DGS符号：符号：二、工作原理（以二、工作原理（以N沟道为例）沟道为例）当当 UDS=0 V时：时：UGSDGSNPP*若加入若加入U UGSGS 0,PN 0,PN结反偏，结反偏，耗尽层变厚耗尽层

3、变厚*若若U UGSGS=0,=0,沟道较宽，沟道电阻小沟道较宽，沟道电阻小沟道变窄，沟道电阻增大沟道变窄，沟道电阻增大*若若U UGS GS=V=VP P（夹断夹断电压）时电压）时沟道沟道夹断夹断，沟道电阻很大，沟道电阻很大|UGS|越大越大,则耗尽区越则耗尽区越宽，导电沟道越窄。宽，导电沟道越窄。但当但当|UGS|较小时，耗尽区宽较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。间相当于线性电阻。沟道沟道夹断夹断时（时（夹断电压夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹间被夹断，断，这时，即使这时，即使UDS 0V，漏漏极电流极电流ID=0A

4、。加入加入U UGSGS使使沟道沟道变窄，该类型效应管称为耗尽型变窄，该类型效应管称为耗尽型漏源电压漏源电压V VDSDS对对i iD D的影响的影响 随随VDS增大，这种不均匀性越明显。增大，这种不均匀性越明显。当当VDS增加到使增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断点。在紧靠漏极处出现预夹断点。当当VDS继续增加时，预夹断区向源极方向伸长继续增加时，预夹断区向源极方向伸长。电阻电阻增增大，大，使使VDS增加不能使漏极也增大，增加不能使漏极也增大，漏极电流漏极电流 iD 趋于饱和趋于饱和。*在栅源间加电压在栅源间加电压V VGSGS，漏源间加电压漏源间加电压V

5、VDSDS。由于由于漏源间有一电位梯度漏源间有一电位梯度V VDSDS漏端耗尽层所受的反偏电压为漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS源端耗尽层所受的反偏电压为源端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS 使靠近漏端的耗尽层比源端厚，使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故沟道比源端窄，故VDS对沟道的影对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形，响是不均匀的，使沟道呈楔形，沟道夹断前，沟道夹断前，iD 与与 vDS 近似呈线性近似呈线性关系。关系。4.1.2 4.1.2 伏安特性曲线及参数伏安特性曲线及参数特点特点:(1)(1)当当vGS 为定值时为定值时,管管子的漏源间呈线性电阻，且其

6、子的漏源间呈线性电阻，且其阻值受阻值受 vGS 控制控制，（，（iD 是是 vDS 的线性函数）。的线性函数）。（2）管压降管压降vDS 很小。很小。用途：用途：做做压控线性电阻压控线性电阻和无触点的、闭合状态的和无触点的、闭合状态的电子开关电子开关。条件：条件：源端与漏端沟道都不夹断源端与漏端沟道都不夹断（1）可变电阻区）可变电阻区1、输出特性曲线：、输出特性曲线：（动画2-6）用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。（2 2）恒流区）恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）条件条件:(1)源端沟道未夹断源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断漏端沟道予夹断 (2)恒流性：恒流性

7、：输出电流输出电流 iD 基基本上不受输出电压本上不受输出电压 vDS 的影响。的影响。特点特点:(1)受控性：受控性：输入电压输入电压 vGS 控制输出电流控制输出电流（3）夹断区）夹断区：用途：用途：做无触点的、做无触点的、接通状态的接通状态的电子开关电子开关。条件：条件：整个沟道都夹断整个沟道都夹断 （4）击穿区）击穿区 当漏源电压增大到当漏源电压增大到 时，漏端时，漏端PN结结发生发生雪崩击穿雪崩击穿，使，使iD 剧增剧增的区域。其值一般为的区域。其值一般为（20 50）V之间之间。由于。由于VGD=VGS-VDS,故故vGS越负越负，对应的对应的VP就越小。管子就越小。管子不能在击穿

8、区工作不能在击穿区工作。特点：特点：2、转移特性曲线、转移特性曲线输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制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4.3 4.3 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor)MOSFET N沟道 P沟道 增强型N沟道 P沟道 耗尽型增强型增强型 (N沟道沟道、P沟道沟道),VGS=0 时无导电沟道，时无导电沟道，iD=0耗尽型耗尽型 (N沟道沟道、P沟道沟道)，VGS=0 时已有导电沟道。时已有导电沟道。类型及其符号类型及其符号:4.3.1

9、 4.3.1 N N沟道沟道沟道沟道增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管漏极漏极D金属电极金属电极1 1、结构结构结构结构栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区 金属金属金属金属 栅极和其它电栅极和其它电栅极和其它电栅极和其它电极及硅片之间是绝缘极及硅片之间是绝缘极及硅片之间是绝缘极及硅片之间是绝缘的，称的，称的，称的，称绝缘栅型场效绝缘栅型场效绝缘栅型场效绝缘栅型场效应管应管应管应管。绝缘层目前常绝缘层目前常用二氧化硅，故又称用二氧化硅，故又称金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体场效应管，简称场效应管，简

10、称MOS场效应管场效应管。由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达可达1014 。2 2、N N沟道沟道增强型增强型场效应管场效应管的工作原理的工作原理（1）.栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用 当当VGS=0V时时，因为漏源之间，因为漏源之间被两个背靠背的被两个背靠背的 PN结隔离，因结隔离，因此，即使在此，即使在D、S之间加上电压之间加上电压,在在D、S间也不可能形成电流。间也不可能形成电流。当当 0VGSVT(开启电压开启电压)时时，果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍果在衬底表面形成一薄层负离子的

11、耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。管子仍不能导通，处于截止状态。通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的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，结自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结N N沟道沟道增强型增强型场效应管场效应管的工作原理的工作原理的的N型沟道。把型沟道。把开始形成开始形成反型层的反型层的VGS值值称为该管的称为该管的开启开启电压电压VT。这时，若在漏源间加电压这时，若在漏源间加电压 VDS

12、，就能产生漏极就能产生漏极电流电流 I D，即管子开启。即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下，电压作用下，I D 越大。越大。这样，这样，就实现了输入电压就实现了输入电压 VGS 对输出电流对输出电流 I D 的控制的控制。当当VGSVT时，时，衬底中的电子衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的进一步被吸至栅极下方的P型型衬底表层，使衬底表层中的自衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为薄层转换为N型半导体，称为型半导体，称为反型层反型层。形成形成N源区

13、到源区到N漏区漏区I D栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用2.漏源电压VDS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，

14、直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。A 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VGDVT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，

15、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。增强型MOSFET的工作原理MOSFET的的特性曲线1.1.漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线2.转移特性曲线 VGS对ID的控制特性 转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。其量纲为mA/V，称gm为跨导。ID=f(VGS)VDS=常数 gm=ID/VGSQ（mS)增强型增强型MOSMOS管特性小结管特性小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的

16、衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0 时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP。耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET的特性曲线的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型场效应三极管的参数和型号场效应三极管的参数和型号一、一、场效应三极管的参数场效应三极管的参数 1.开启电压VT 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。2.夹断电压VP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VG

17、S=VP时,漏极 电流为零。3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。4.输入电阻RGS 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。5.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS (毫西门子)。6.最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型 N沟道P 沟道场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 电流控制电流控制电流控制电流控制 电压控制电压控制电压控制电压控制 控制方式控

18、制方式控制方式控制方式电子和空穴两种载电子和空穴两种载电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子同时参与导电流子同时参与导电流子同时参与导电流子同时参与导电载流子载流子载流子载流子电子或空穴中一种电子或空穴中一种电子或空穴中一种电子或空穴中一种载流子参与导电载流子参与导电载流子参与导电载流子参与导电类类类类 型型型型 NPNNPN和和和和PNP NPNP N沟道和沟道和沟道和沟道和P P沟道沟道沟道沟道放大参数放大参数放大参数放大参数 r rcece很高很高很高很高 r rdsds很高很高很高很高 输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻较低较低较低较低较高较高较高较高 双极

19、型三极管双极型三极管双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管单极型场效应管单极型场效应管热稳定性热稳定性热稳定性热稳定性 差差差差 好好好好制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺 较复杂较复杂较复杂较复杂 简单，成本低简单，成本低简单，成本低简单，成本低对应电极对应电极 BEC GSD耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型GSDGSD增强型增强型增强型增强型N沟道沟道P P沟道沟道沟道沟道GSDGSDN N沟道沟道沟道沟道P沟道沟道GG、S S之间加一定之间加一定之间加一定之间加一定电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有在制

20、造时就具有原始原始原始原始导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道4.4 4.4 场效应管场效应管放大电路放大电路4.4.1 4.4.1 直流偏置电路及静态分析直流偏置电路及静态分析1、直流偏置电路直流偏置电路建立适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区。建立适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区。(1)自偏压电路自偏压电路:仅适用于耗尽型仅适用于耗尽型场效应场效应管，管，V VGSGS=0=0 时，沟道已存时，沟道已存在。加在。加V VDDDD后后,V VS S=I=ID D R R。可建立偏压：可建立偏压：上式称为偏压公式上式称为偏压公式 及及 VDS=VDDID(R+Rd)联立可以解出联立可以

21、解出VGS、ID和和VDS。(2)分压式偏压电路分压式偏压电路直流通道直流通道由：由：VG=VDD Rg2/(Rg1+Rg2)及及 VS=IDRVGS=VGVS=VGIDR可可得得 偏压公式偏压公式：2、静态工作点的确定：、静态工作点的确定：ID=IDSS1(VGS/VP)2由由公式：公式：偏压公式：偏压公式：V VGS GS=-I=-ID D R R 或：或：VGS=VGVS=VGIDR4.4.2 4.4.2 小信号模型分析法小信号模型分析法低低频频模模型型高高频频模模型型跨导跨导漏极输漏极输出电阻出电阻1.1.小信号模型小信号模型2.2.用小信号模型进行交流分析用小信号模型进行交流分析小信

22、号小信号等效电路等效电路（1 1）电压放大倍数）电压放大倍数(2)(2)输入电阻输入电阻(3)(3)输出电阻输出电阻uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析一、静态分析US UGUDS=UDD-US=20-5=15V例例4.4.2 源极输出器源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路二、动态分析二、动态分析riro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路输入电阻输入电阻 ri输出电阻输出电阻 ro加压求流法加压求流法gd微变等效电路微变等效电路ro ro R2R1RGsRS