5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 5.2 MOSFET放大电路 5.3 结型场效应管 5.4 各种放大器件电路性能比较 1 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 （耗尽型） FET Field Effect Transistor 场效应管 JFET 结型 MOSFET 按结构不同场效应管有两种: 2 5.1 金属-氧化物-半导体 （MOS）场效应管 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 5.1.4 MOSFET的主要参数 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 5.1.3 P沟道MOSFET 3 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. 结构 P型硅衬底 耗尽层 SiO2 铝铝 铝 剖面图 衬底引线 栅极和其它电极及硅 片之间是绝缘的，栅极 电流几乎为零，输入电 阻很高，最高可达1015 ，故称绝缘栅型场效应 管(IGFET)。 源极栅极漏极 又称金属-氧化物-半导 体场效应管(MOSFET) 。 高掺杂N区 4 P型硅衬底 由结构图可见，N+型漏区和N+ 型源区之间被P型衬底隔开，漏极 和源极之间是两个背靠背的PN结 。 当栅源电压vGS = 0 时，不管漏 极和源极之间所加电压的极性如 何，其中总有一个PN结是反向 偏置的，漏极电流近似为零。 2. 工作原理 （1）vGS对沟道的控制作用 SD VDD 5 当vGS 0时, 产生电场，排斥空穴而吸引电子 。 当vGS VT 时， 在电场作用下产生导电沟道。 vGS越大，导电沟道越厚 V V T T 称为 称为开启电压开启电压 D、S间加电压后，将有电流产生。 P型硅衬底 VGG VDD N型沟道 iD （1）vGS对沟道的控制作用 6 符号 v v GSGS=0 =0时,没有导电沟道 P型硅衬底 必须依靠栅源电压的作用，才能形成导电沟道的FET 称为增强型FET。 7 （2）vDS对沟道的控制作用 当vGS一定（vGS VT ）时， vDSiD 产生沟道电位梯度，靠近 漏极d处的电位升高，电场 强度减小，沟道变薄。 整个沟道呈楔形分布。 P型硅衬底 VGG VDD iD迅速增大 8 P型硅衬底 VGG VDD iD 当vDS增加到使vGD=VT时， 在紧靠漏极处出现预夹断。 在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT 预夹断后，vDS 夹断区延长沟道电阻iD基本不变 夹断区 饱和 （2）vDS对沟道的控制作用 9 （3） vDS和vGS同时作用时 给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。 P型硅衬底 VGG VDD iD vGD=vGS-vDS 当 vGS VT时，vGS越小导 电沟道越容易夹断。 改变vGS的值，iD的饱和值 随之改变。 漏极电流iD的饱和值与栅源电压vGS有关。所以，场效 应管是一种电压控制电流的器件。 10 综上分析可知： 沟道中只有一种类型的载流子参与导电， 所以温度稳定 性好，场效应管也称为单极型晶体管。 场效应管是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 场效应管的输入电阻高，基本上不需要信号源提供电流。 11 3. 特性曲线 （1）输出特性 截止区 截止区截止区 vGSVT 导电沟道尚未形成 iD = 0，为截止状态。 12 可变电阻区 vGD = vGS vDS VT 即 vDSvGSVT时 沟道预夹断前 iD与vDS呈近似线性关系 FET可看作受vGS控制的 可变电阻 可变电阻区可变电阻区 13 可变电阻区 vGSVT ，且vDSvGSVT Kn为电导常数，单位：mA/V2 14 饱和区（恒流区/放大区） vGS V T ， 且vDS vGS - VT 是vGS2VT时iD的饱和值 沟道预夹断后 iD达到饱和，只与vGS有关 15 （2）转移特性 当vGS V T ， 且vDSvGSVT时， 16 符号 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构和工作原理 SiO2绝缘层中 掺有正离子 预埋了N型 导电沟道 17 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟 道，所以在vGS= 0时，若漏源之间加 上一定的电压vDS，也会有漏极电流 iD 产生。 当当v vGS GS 0 0时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，i i D D 增大；增大； 当当v vGS GS 0 VT ，否则工作在截止区 Q点：VGSQ 、 IDQ 、 VDSQ 29 假设工作在饱和区 满足假设成立，结果即为所求。 解： 例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源 电压VDSQ 。 VDD=5V， VT=1V， 30 N沟道增强型MOS管电路的静态分析: 1、画出直流通路； 2、求VGSQ，若VGSQ V T ，设MOS管工作在饱和区，利用饱和区 电流-电压关系分析电路，求IDQ、 VDSQ ； 4、若VDSQVGSQ-VT，说明假设错误， MOS管工作在可 变电阻区，需利用可变电阻区电流-电压关系重新分析电 路。 31 2、带源极电阻的NMOS共源极放大电路 假设工作在饱和区 需要验证是否满足 32 VG 0，IDQ I VS VG VGSQ （饱和区） 3、电流源偏置的NMOS共源极放大电路 VD VDD IDQ Rd VDSQ VD VS 33 二、 图解分析 由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同 VGSQ =VGG IDQ VDSQ vDS/V t O t iD/mA O id vo VDD VDD/Rd O iD/mA vDS/V Q Q Q 34 三、 小信号模型分析 1、MOSFET的小信号模型 输入端口：栅极电流为零，输入端口 视为开路，栅-源极间只有电压存在。 输出端口： 在小信号情况下，对上式取全微分得 其中， 35 高频小信号模型 36 2、MOSFET放大电路分析举例 例1：设Rs=4k， Rg1=150k，Rg2=47k，Rd=10k，R=0.5k VDD=5V， -VSS=-5V， VT=1V， 。试计算电 路的电压增益，输入电阻和输出电阻 。 解：假设工作在饱和区，求Q点 得 37 s 38 s 场效应管放大电路具有高输入阻抗的特点，所以特别 适用于作为多极放大电路的输入级。 39 例2：画出如图所示共漏极放大电路的小信号等效电路，并计算 电路的电压增益、输入电阻和输出电阻 。 40 41 5.3 结型场效应管 结构 工作原理 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路 42 5.3.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 (N沟道) 源极(Source) N型导电沟道 栅极(Gate) 漏极(Drain) P型区 P型区 耗尽层 43 代表符号 44 2. 工作原理 vGS对沟道的控制作用 当vGS0时 （以N沟道JFET为例） 当沟道夹断时，对应的栅 源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP 0。 PN结反偏耗尽层加厚 沟道变窄 vGS继续减小，沟道 继续变窄。 + - vGS VGG 沟道电阻变大 45 vDS对沟道的控制作用 当vGS=0时， vDS iD 同时，PN结反偏，耗尽 层变厚，沟道变窄。 当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。 预夹断后vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变 迅速增大 VDD + - vDS A 饱和 iD 并且，越靠近漏极d处的电 位越高， PN结所加反向电压 越大，耗尽层越厚。整个沟道 呈楔形分布。 46 vGS和vDS同时作用时 当VP vGS0 时，vGS越小 导电沟道越容易夹断。 对于同样的vDS ， 改变vGS 的值，iD随之改变。 在预夹断处 vGD=vGS-vDS =VP vGD=vGS-vDS+ - vDS + - vGS VDD VGG JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的 ，因此iG 0，输入电阻很高。 47 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 # # JFETJFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？有正常放大作用时，沟道处于什么状态？ VP 输出特性 转移特性 48 与耗尽型MOSFET类似 3. JFET的参数 49 一、直流偏置及静态工作点的计算 5.3.3 JFET放大电路 1、自偏压电路 vGSvGSvGSvGSVGS 假设设工作在饱饱和区 VGS + - VDS 若VP VGSQ VP， 则则假设设成立。 50 2、分压压式自偏压电路 需要判断静态态工作点是否在饱饱和区 51 1. 小信号模型 （1）低频频模型 gm：低频跨导 rd：输出电阻 rgs ：输入电阻 二、动态分析 52 （2）高频频模型 53 2. 动态指标分析 （1）中频小信号模型 交流通路 小信号等效电路 忽略 rgs和 rd 54 （2）中频电压增益 （3）输入电阻 （4）输出电阻 由输入输出回路得 则 55 5.4 各种放大器件电路性能比较 共源极电路与共射极电路均有电压放大作用，而且输出电 压与输入电压相位相反。为此，可统称这两种放大电路为反 相电压放大器。 56 共漏极电路与共集电极电路均有输出电流压与输入电压接近 相等。因此，可将这两种放大电路称为电压跟随器。 57 共栅极电路和共基极电路均有输出电流与输入电流接近 相等。为此，可将它们称为电流跟随器。 实际应用中可根据具体要求将上述各种组态的电路进 行适当的组合，以构成高性能的放大电路。 58 本章 要 求 、了解各种场效应管的结构和工作原理，熟悉场效应 管的特性曲线和主要参数； 2、掌握场效应管放大电路静态工作点的估算方法，及小 信号模型分析方法； 3、熟悉共栅极、共漏极和共源极三种场效应管放大电路 的结构和性能特点。 返 回 end 59