模拟电子技术第3章 第一部分

1、第三章第三章 场效应管放大器场效应管放大器 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 结型场效应管结型场效应管 3.2 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 效应管放大器的静态偏置效应管放大器的静态偏置 效应管放大器的交流小信号模型效应管放大器的交流小信号模型 效应管放大电路效应管放大电路 3.1 3.1 场效应管场效应管 场效应管场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和，工作时，多数载流子和 少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 增强型增强型 耗尽型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟

2、道 N沟道沟道 P沟道沟道 FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 结型场效应管结型场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控）是一种电压控 制器件制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它 是单极型器件。是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极 高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。 一一 结型结型FETFET的结构和工作原理的结构和工作原理 两个两个PN结夹着一个结夹

3、着一个N型沟道。型沟道。 三个电极：三个电极： g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极 符号：符号： - - - p+ +p d漏极 源极s 栅极g N 1. 1. 结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）： D G D S G S N沟道沟道P沟道沟道 2. N2. N沟道结型场效应管的工作原理沟道结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 当当uGS时，时，PN结反偏，耗尽层结反偏，耗尽层 变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻 增大。增大。 当当uGS到一定值时到一定值时 ，沟道会完，沟道会完 全

4、合拢。全合拢。 定义：定义： 夹断电压夹断电压UP使导电沟道完全合使导电沟道完全合 拢（消失）所需要的栅源电压拢（消失）所需要的栅源电压uGS。 N g d s +p VGG + pp s d + g GG N V + p N GG g + s d p V p+ 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS ，令，令uDS =0 当当uGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电沟结，导电沟 道最宽。道最宽。 （2 2）漏源电压对沟道的控制作用）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压uDS ，令，令uGS =0 由于由于uGS =0，所以导电沟道最宽。，所以导电沟道最宽。 当当uDS=0

5、时，时， iD=0。 uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽， 靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布。沟道变窄，呈楔形分布。 当当uDS ，使，使uGD=uG S- uDS=UP时，时， 在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。 预夹断前，预夹断前， uDSiD 。 预夹断后，预夹断后， iDSiD 几乎不变。几乎不变。 uDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。 （3 3）栅源电压）栅源电压uGS和漏源电压和漏源电压uDS共同共同作用作用 iD=f（ uGS 、uDS）,可用两组特性曲线来描绘。可用两组特性曲线来描绘。 N g d s +p+ p d i V DD d s N g

6、d i + p p+ V DD N g s d id DD V p+p+ s id g V d DD p+p+ 1). 输出特性曲线：输出特性曲线： iD=f（ uDS ）uGS=常数常数 3. JFET3. JFET的特性曲线的特性曲线 s g V d DD d i GG V p+p+ u =-3V DS GS u GS =-1V u u uGS (mA) =-2V D i GS =0V uGS=0V uGS=-1V 设：设：UP= -3V 常量 DS GS D mU u i g iD 低频跨导低频跨导gm：用来描述动态的栅：用来描述动态的栅-源电压源电压uGS对漏极对漏极 电流电流iD的控

7、制作用（恒流区）的控制作用（恒流区） uGS 输出特性输出特性 四个区：四个区： 放大区的特点：放大区的特点： iD / uGS = gm 常数常数 即： 即： iD = gm uGS （放大原理） （放大原理） （a）可变电阻区）可变电阻区 （预夹断前）。（预夹断前）。 （b）放大区也称为恒流区）放大区也称为恒流区 、饱和区（预夹断、饱和区（预夹断 后）。后）。 （c）截止区（夹断区）。）截止区（夹断区）。 （d）击穿区。）击穿区。 u =-3V DS GS u GS =-1V u u uGS (mA) =-2V D i GS =0V 可变电阻区可变电阻区 放大区放大区 截止区截止区 击穿区

8、击穿区 2). JFET的转移特性的转移特性 iD=f（ uGS ）uDS=常数常数 u uGS=0V u 0 u (mA) 1 u =-3V D -3-1 3 10V DS 2 (mA) GS(V) 2 1 -4 4 i u =-1V D -2 GS GS GS 4 i (V) 3 =-2V 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。 例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线： 2 GS DDSS p (1) u iI U 恒流区中恒流区中iD的表达式为：的表达式为： 例：已知有一结型场效应管的参数为例：已知有一结型场效应管的参数为IDSS=1

9、.5mA，Up= - 2V，求它，求它 在在UGS= - 1V时的跨导时的跨导 gm= ? 2 GS DDSS p (1) u iI U 恒流区中恒流区中iD的表达式为：的表达式为： GS DSS pp 111 2(1)2 1.5 (1)0.75 22 D m GS udi gImSmS duUU 1. 绝缘栅场效应管的结构 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)， 简称简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结

10、构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D， 源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。 - - - - g s d b 符号：符号： - - - - N+ + N P衬底 sgd b 源极栅极漏极 衬底 二二 绝缘栅场效应管的结构和工作原理绝缘栅场效应管的结构和工作原理 2 2 工作原理工作原理 (a) 当当uGS= 0V时，漏源之间相当两个时，漏源之间相当两个 背靠背的背靠背的 二极管，在漏源之间加上二极管，在漏源之间加上 电压电压uDS也不会形成电流，也不会形成电流， 漏极电流漏极电流 id=0，管子截止。，管子截止。 栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用 - - - P衬底衬底 s g

11、 N+ b d SiO2 + N (b)当当uGS0V, uDS = 0V时时纵向电纵向电 场场(1)(1)将两个将两个N N+ + 区和衬底中 区和衬底中电电 子子吸引向衬底表面，并与衬底中吸引向衬底表面，并与衬底中 空穴空穴相遇相遇复合复合掉；掉；(2) (2) 排斥排斥衬底衬底 中的多子空穴中的多子空穴。 衬底表面的衬底表面的 薄层中留下了以负离子为主的薄层中留下了以负离子为主的空空 间电荷区间电荷区(耗尽层耗尽层)，并与，并与两个两个PNPN 结的空间电荷区相通结的空间电荷区相通 。 (c) 增大增大uGS , uDS = 0V时时纵向电纵向电 场场N+区和衬底区和衬底P区的电子进区的

12、电子进 一步被吸引到衬底表面的薄层，一步被吸引到衬底表面的薄层， 继续排斥该薄层中的空穴继续排斥该薄层中的空穴薄薄 层中自由电子浓度层中自由电子浓度大于大于空穴浓空穴浓 度度形成形成反型层反型层，并与两个，并与两个N+ 区相通，成为区相通，成为导电沟道导电沟道(感生沟感生沟 道道)。 - - - s 二氧化硅 P衬底衬底 g + N d + b N VGG id (d) 形成形成导电沟道导电沟道后，加漏源电压后，加漏源电压 uDS 0V，源区多子，源区多子电子电子将沿导电将沿导电 沟道沟道漂移漂移到漏区，形成自漏极流向到漏区，形成自漏极流向 源极的漏极电流源极的漏极电流id。 显然：显然：uG

13、S越大，反型层中的自由电越大，反型层中的自由电 子浓度越大，沟道的导电能力就越子浓度越大，沟道的导电能力就越 强，从而强，从而 uDS作用下的漏极电流作用下的漏极电流id也也 就越大，就相当于漏源极之间的等就越大，就相当于漏源极之间的等 效电阻效电阻RDS越小。即：越小。即： uGS RDS (c) 增大增大uGS , uDS = 0V时时纵向电纵向电 场场N+区和衬底区和衬底P区的电子进区的电子进 一步被吸引到衬底表面的薄层，一步被吸引到衬底表面的薄层， 继续排斥该薄层中的空穴继续排斥该薄层中的空穴薄薄 层中自由电子浓度层中自由电子浓度大于大于空穴浓空穴浓 度度形成形成反型层反型层，并与两个

14、，并与两个N+ 区相通，成为区相通，成为导电沟道导电沟道(感生沟感生沟 道道)。 - - - s 二氧化硅 P衬底衬底 g + N d + b N VGG id (d) 形成形成导电沟道导电沟道后，加漏源电压后，加漏源电压 uDS 0V，源区多子，源区多子电子电子将沿导电将沿导电 沟道沟道漂移漂移到漏区，形成自漏极流向到漏区，形成自漏极流向 源极的漏极电流源极的漏极电流id。 显然：显然：uGS越大，反型层中的自由电越大，反型层中的自由电 子浓度越大，沟道的导电能力就越子浓度越大，沟道的导电能力就越 强，从而强，从而 uDS作用下的漏极电流作用下的漏极电流id也也 就越大，就相当于漏源极之间的

15、等就越大，就相当于漏源极之间的等 效电阻效电阻RDS越小。即：越小。即： uGS RDS 定义：定义：开启电压（开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的 栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管管 的基本特性：的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作 用下，漏极电流用下，漏极电流id越大。越大。 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当当uGSUT (导电沟道已经形成导电沟道已经形成) ，且固定为某一值时，

16、来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压uDS对对 漏极电流漏极电流id的影响。的影响。（设（设UT=2V， uGS=4V） (a) uDS=0时，时， id=0； (b) uDS id， uGD= = uGS - - uDS ，沟道，沟道 靠漏区变窄靠漏区变窄 (c) 当当uDS增大使增大使uGD=UT时，沟道靠漏时，沟道靠漏 极端（极端（A点）消失，称为点）消失，称为预夹断预夹断。 (d) uDS再增大，夹断点再增大，夹断点A向源极延伸向源极延伸 ，在漏区附近出现，在漏区附近出现夹断区夹断区。 由于由于uGA 恒为恒为UT, uAS也恒为也恒为uGSUT ， uDS增大增大 的的多

17、余电压多余电压uDS (uGS-UT) 基本都降落基本都降落 在夹断区。在夹断区。id基本不变，或略有增大基本不变，或略有增大 - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N VGG id- - - 二氧化硅 N i s d N V b + DD d V P衬底 GG g - - - GG b V d 二氧化硅 s i N g DD + d P衬底衬底 V N + A uDS0后，有后，有id产生。产生。 3 MOS3 MOS场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线 四个区：四个区： （a）可变电阻区）可变电阻区 （预夹断前）。（预夹断前）。 输出特性曲线：输出特性曲线：i

18、D=f(uDS) uGS=const i (V) (mA) D DS u GS=6V u u =5V GS =4V uGS u =3V GS （b）放大区也称为恒流区）放大区也称为恒流区 、饱和区（预夹断、饱和区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。）击穿区。 可变电阻区可变电阻区 恒流区恒流区 截止区截止区 击穿区击穿区 转移特性曲线转移特性曲线： iD=f(uGS) uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。 例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线： i (mA) D GS=

19、6V u u =5V GS =4V uGS u =3V GS u DS(V) D i (mA) 10V 1 2 3 4 1 4 3 2 (V) u GS 246 UT 2 GS DDO T (1) u iI U 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm： ： gm= iD/ uGS uDS=const (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。 1 (mA) DS u =6V =3V u uGS (V)

20、1 D 6 2 4 i 4 3 =5V (mA) 2 4 3 i D GS 2 10V (V) uGS i D GS u i D 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道， 加入加入uDS， ，就有 就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽时，沟道增宽 ，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄时，沟道变窄 ，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当 uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义

21、：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。 - - - - g漏极s + N 衬底 P衬底 源极d栅极 b N + + + + + + + + - - - - s b g d N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的的特性曲线特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线 1 GS u 0 1 D (V) -12-2 (mA) 4 3 2 i 4 2 u u 3 10V =+2V 1 DS GS D(mA) i = -1V u GS GS GS=0V =+1V u u (V) = -2VUPGS u UP 3、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSF