5.1 金属 -氧化物 -半导体（ MOS） 场效应管5.3 结型场效应管（ JFET）*5.4 砷化镓金属 -半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路第 5章 场效应管放大电路Date 1P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型 ：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型 ：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：Date 2 关于 MOS场效应管符号的说明：N沟道增强型 MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。表示衬底在内部没有与源极连接。N沟道耗尽型 MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。N沟道结型 MOS管。没有绝缘层。如果是 P沟道，箭头则向外。Date 35.1 金属 -氧化物 -半导体（ MOS） 场效应管5.1.1 N沟道增强型 MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型 MOSFET5.1.3 P沟道 MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应Date 45.1.1 N沟道增强型 MOSFET1. 结构 （ N沟道）L ： 沟道长度 W ： 沟道宽度 tox ： 绝缘层厚度通常 W L Date 5剖面图符号Date 6 N沟道增强型 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在 P型半导体上生成一层 SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的 N型区，从 N型区引出电极，一个是漏极 D， 一个是源极 S。 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 G。 P型半导体称为衬底，用符号 B表示。S DGPN+ N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴 正离子电子 负离子2 N沟道增强型 MOSFET的主要工作原理对 N沟道增强型 MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压 UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压 UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流 ID产生影响。(1)栅源电压 UGS的控制作用先令漏源电压 UDS=0，加入栅源电压 UGS以后并不断增加。UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。沟道中的电子和 P型衬底的多子导电性质相反，称为 反型层 。此时若加上UDS ，就会有漏极电流 ID产生。反型层显然改变 UGS就会改变沟道，从而影响 ID ，这说明 UGS对 ID的控制作用。当 UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有 UDS ，也不能形成 ID 。当增加 UGS，使 ID刚刚出现时，对应的 UGS称为 开启电压 ，用 UGS(th)或 UT表示。Date 8VGS对沟道的控制作用当 VGS0时无导电沟道， d、 s间加电压时，也无电流产生。当 0VT 时在电场作用下产生导电沟道， d、s间加电压后，将有电流产生。VGS越大，导电沟道越厚VT 称为开启电压称为开启电压Date 9靠近漏极 d处的电位升高电场强度减小 沟道变薄当 vGS一定（ vGS VT ） 时，vDSID 沟道电位梯度 整个沟道呈 楔形分布Date 10 （ 2）漏源电压 VDS的控制作用设 VGS VGS(th)，增加 UDS，此时沟道的变化如下。显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入 VDS后， VDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大， PN结的宽度最大。所以加入 VDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的 PN结区，从而影响沟道的导电性。当 VDS进一步增加时， ID会不断增加 ,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为 预夹断 。预夹断当 VDS进一步增加时， 漏端的耗尽层向源极伸展，此时 ID基本不再增加，增加的 VDS基本上降落在夹断区。Date 11当 VGS一定（ VGS UT ） 时，VDSID 沟道电位梯度 当 VDS增加到使 VGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。VDS对沟道的控制作用在预夹断处： VGD=VGS-VDS =VTDate 12预夹断后， VDS夹断区延长沟道电阻 ID基本不变Date 13（ 3） VDS和 VGS同时作用时VDS一定， VGS变化时给定一个 VGS ， 就有一条不同的 ID VDS 曲线 。Date 14 当栅极加有电压时，若0 VGS VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的 P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流 ID。3. 分析步骤总结 （ 1）栅源电压 VGS的控制作用当 VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 D、 S之间加上电压不会在 D、 S间形成电流。Date 15 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为 转移特性曲线 。进一步增加 VGS， 当 VGS VGS(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的 P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流 ID。 在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与 P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着 VGS的继续增加， ID将不断增加。在 VGS=0V时 ID=0，只有当 VGS VGS(th)后才会出现漏极电流，这种 MOS管称为增强型 MOS管。Date 16 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。 gm 的量纲为 mA/V， 所以gm也称为 跨导 。跨导的定义式如下gm=ID/VGS UDS=const (单位 mS)ID=f(UGS)UDS=constDate 17 （ 2）漏源电压 VDS对漏极电流 ID的控制作用当 VGS VGS(th)， 且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流 ID的影响。 VDS的不同变化对沟道的影响如图所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDG VGS= VGD VGSVGD=VGS VDS当 VDS为 0或较小时， 相当 VGS VGS(th)， 沟道分布如图，此时 VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。漏源电压 VDS对沟道的影响Date 18 当 VDS为 0或较小时，相当 VGS VGS(th)，沟道分布如图 (a)，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 VGS=VGS(th)时，沟道如图 (b)所示。这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。当 VDS增加到 VGSVGS(th)时，沟道如图 (c)所示。此时预夹断区域加长，伸向 S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。当 VGS VGS(th)， 且固定为某一值时， VDS对 ID的影响，即 ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。Date 19漏极输出特性曲线ID=f(VDS)VGS=const* 2014. V-I 特性曲线及大信号特性方程（ 1）输出特性及大信号特性方程 截止区当 vGS VT时，导电沟道尚未形成， iD 0， 为截止工作状态。Date 21 可变电阻区vDS（ vGS VT）由于 vDS较小 ，可 近似为rdso是 一个受 vGS控制的可变电阻 Date 22 可变电阻区 n ： 反型层中电子迁移率Cox ： 栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容 本征电导因子其中Kn为电导常数 ， 单位： mA/V2Date 23 饱和区（恒流区又称放大区）vGS VT ，且 vDS（ vGS VT）是 vGS 2VT时的 iD V-I 特性：Date 24（ 2）转移特性Date 255.1.2 N沟道耗尽型 MOSFET1. 结构和工作原理 （ N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流Date 26 当 VGS 0时，将使 ID进一步增加。 VGS 0时，随着 VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 ID=0。 对应 ID=0的 VGS称为夹断电压，用符号 VGS(off)表示，有时也用 VP表示。N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的 SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。Date 27 (a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线N沟道耗尽型 MOSFET的结构和转移特性曲线Date 28 N沟道耗尽型 MOSFET主要工作原理N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当 UGS=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当 UGS=0时，对应的漏极电流用 IDSS表示。当 UGS 0时，将使 ID进一步增加。 UGS 0时，随着 UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 ID=0。对应 ID=0的 UGS称为 夹断电压 ，用符号 UGS(off)表示，有时也用 UP表示。 N沟道耗尽型 MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。夹断电压IDSSDate 292. V-I 特性曲线及大信号特性方程（ N沟道增强型）Date 305.1.3 P沟道 MOSFETDate 315.1.4 沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为 m当不考虑沟道调制效应时， 0，曲线是平坦的。 修正后Date 325.1.5 MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1. 开启电压 VT （ 增强型参数）2. 夹断电压 VP （ 耗尽型参数）3. 饱和漏电流 IDSS （ 耗尽型参数）4. 直流输入电阻 RGS （ 109 1015 ）二、交流参数 1. 输出电阻 rds 当不考虑沟道调制效应时， 0， rds Date 332. 低频互导 gm 二、交流参数 考虑到 则其中Date 34三、极限参数 1. 最大漏极电流 IDM 2. 最大耗散功率 PDM 3. 最大漏源电压 V（ BR） DS 4. 最大栅源电压 V（ BR） GS Date 355.2 MOSFET放大电路5.2.1 MOSFET放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算2. 图解分析3. 小信号模型分析Date 361. 直流偏置及静态工作点的计算（ 1） 简单的共源极放大电路 （ N沟道）直流通路共源极放大电路Date 37（ 1） 简单的共源极放大电路 （ N沟道）假设工作在饱和区，即验证是否