模拟电子技术基础课件第3章场效应晶体管和基本放大电路

1、 思考：思考：3-1 习题：习题：3-3、3-4、3-7、3-11 理解场效应管的工作原理；理解场效应管的工作原理； 掌握场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管的外特性及主要参数； 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数 （Au、Ri、Ro）的分析方法。）的分析方法。 通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型 场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。 N沟道结型场效应管是 在同一块N型半导体上制 作两个高掺杂的P区。 N沟道结构示意图沟道结构示意图 SiO2 N 源极源极S栅

2、极栅极G漏极漏极D N N P P 将它们连接在一起引出 电极栅极G。N型半导体 分别引出漏极D、源极S。 P区和N区的交界面形成 耗尽层。源极和漏极之间 的非耗尽层称为导电沟。 N沟道符号沟道符号 d s g d s g P沟道符号沟道符号 结型场效应管有结型场效应管有N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型两种类型。 d 耗尽层耗尽层 s g P+ N 导电沟道导电沟道 结构示意图结构示意图 若将G、S间加上不同的 反偏电压，即可改变导电 沟道的宽度，便实现了利 用电压所产生的电场控制 导电沟道中电流强弱的目 的。 在N型硅材料两端加上 一定极性的电压，多子在 电场力的作用下形成电流 ID。 这样

3、既保证了栅-源之间 的电阻很高，又实现了UGS 对沟道电流ID的控制。 d 耗尽层耗尽层 s g P+ N 导电沟道导电沟道 结构示意图结构示意图 正常工作时：正常工作时： 在栅-源之间加负向电压， (保证耗尽层承受反向电压) 漏-源之间加正向电压，(以 形成漏极电流） 当UGS=0时， 耗尽层很窄, 导电沟道宽。 随| UGS |增大， 耗尽层增宽，沟 道变窄，电阻增 大。 | UGS |增加到某一数 值,耗尽层闭和,沟道 消失,沟道电阻趋于无 穷大。 | UGS |增加到某一数值，耗尽层闭和，沟道增加到某一数值，耗尽层闭和，沟道 消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时消失，沟道电阻趋于无穷大。

4、定义此时UGS的的 值为值为 d s g UDS ID 当当 UDS =0时，虽有导时，虽有导 电沟道，但电沟道，但ID为零。为零。 当当UDS 0时时，产生，产生ID， 但但 ，近，近漏漏 极电压最大，近源极电极电压最大，近源极电 压最小。压最小。 导电沟道宽度不再相导电沟道宽度不再相 等，近漏极沟道窄，近等，近漏极沟道窄，近 源极沟道宽。源极沟道宽。 d s g UDS ID 随着UDS增加，栅-漏电 压|UGD|增加，近漏端沟 道进一步变窄。 只要漏极附近的耗尽区 不出现相接， 随着UDS 的增加， ID线 性增加。 。 UDS d s g A ID 随着UDS增加，当UGD = UGS

5、 - UDS = UGS（off）时, 靠近漏极出现夹断点。 称 UDS d s g A ID 预夹断之后，UDS 再增加， 预夹断延伸,夹断区长度增 加（AA）。夹断区的阻 力增大。 此时的此时的ID称为称为“饱和漏极饱和漏极 电流电流IDSS” A UGS 增加，使导电沟道 变窄，、间的正电压使 沟道不等宽。 d s g UDS UGS ID 。此时可以把。此时可以把ID近近 似看成似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。 d s g UDS UGS ID （未出现夹断前），对于不（未出现夹断前），对于不 同的同的UGS ，漏源之间等效成不同阻值的电阻，漏源之间等效成不同阻值的电阻， ID

6、随随UDS 的增加的增加 线性线性增加增加。（。（） 。 ID几乎只决定于几乎只决定于UGS， ，而与 而与 UDS 无关，可以把无关，可以把ID近似看成近似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。 （） （输出特性 和转移特性） ID = f (UDS ) UGS = 常数常数 （因场效应管栅极电流几乎（因场效应管栅极电流几乎 为零，不讨论输入特性。）为零，不讨论输入特性。） ID UDS （ （预夹断轨迹：通过连接（预夹断轨迹：通过连接 各曲线上各曲线上UGD= UGS（ （off）的 的 点而成。）点而成。） ID UDS ID UDS 导电沟道全部夹断。导电沟道全部夹断。 条件：条件：U

7、GS UGS（ （off） 特点：特点： ID 0 UDS增加到一定程度，电流增加到一定程度，电流 急剧增大。急剧增大。 ID UDS ID = f (uGS ) UDS = 常数常数 由半导体物理分析可得恒由半导体物理分析可得恒 流区流区ID近似表达式为：近似表达式为： 2 )( )1 ( offGS GS DSSD U u II 3 0123 UGS / V UGS(off) ID /mA 4 IDSS 1 2 （管子工作在可变电阻区（管子工作在可变电阻区 时，不同的时，不同的uDS ，转移特性，转移特性 曲线有很大差别。）曲线有很大差别。） 3 0123 UGS / V UGS(off)

8、 ID /mA 4 IDSS 1 2 4 3 2 1 0 4812 UGS =0V 3V 4V 输出特性输出特性 转移特性转移特性 1 2 3 1V 2 0123 uGS / V UGs(off) uDS / V iD /mA iD /mA 4 4 栅栅-源电压为零时无导电沟道的管子称为源电压为零时无导电沟道的管子称为增强型。增强型。 栅栅-源电压为零时已建立导电沟道的管子称为源电压为零时已建立导电沟道的管子称为耗尽型。耗尽型。 N沟道（沟道（ N MOS） 增强型增强型 耗尽型耗尽型 P沟道（沟道（ P MOS） 增强型增强型 耗尽型耗尽型 绝缘栅型场效应管采用绝缘栅型场效应管采用sio2绝

9、缘层隔离，栅极为绝缘层隔离，栅极为 金属铝，又称为金属铝，又称为MOS管。管。 通常通常衬底和源极连接衬底和源极连接 在一起使用。在一起使用。 P型硅衬底型硅衬底 源极源极S 栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线B N+N+ SiO2 栅极和衬底各相当于栅极和衬底各相当于 一个极板，中间是绝缘一个极板，中间是绝缘 层，形成电容。层，形成电容。 栅栅-源电压改变时，将源电压改变时，将 改变衬底靠近绝缘层处改变衬底靠近绝缘层处 感应电荷的多少，从而感应电荷的多少，从而 控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。 D B S G N沟道符号沟道符号 D B S G P沟道符号沟道符号 P 衬底衬底B

10、 N+N+ SGD D与与S之间是两个之间是两个PN结结 反向串联，无论反向串联，无论D与与S之之 间加什么极性的电压，间加什么极性的电压， ID =0。 P 耗尽层耗尽层 衬底衬底B N+N+ SGD 由于绝缘层由于绝缘层SiO2的存的存 在，栅极电流为零。栅极在，栅极电流为零。栅极 金属层将聚集大量正电荷，金属层将聚集大量正电荷， 排斥排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2的的 空穴，形成耗尽层。空穴，形成耗尽层。 P 衬底衬底B N+N+ SGD 反型层反型层 。 耗尽层增宽耗尽层增宽,将衬底的自由将衬底的自由 电子吸引到耗尽层与绝缘层电子吸引到耗尽层与绝缘层 之间。形成之间。形成N型薄层，

11、称为型薄层，称为 反型层。这个反型层就构成反型层。这个反型层就构成 了漏源之间的导电沟道。了漏源之间的导电沟道。 UGS越大，反型层越厚，越大，反型层越厚， 导电沟道电阻越小。导电沟道电阻越小。 将产生一定的漏极将产生一定的漏极 电流电流ID 。沟道中各点沟道中各点 对栅极电压不再相等，对栅极电压不再相等， 导电沟道宽度不再相导电沟道宽度不再相 等，沿源等，沿源-漏方向逐渐漏方向逐渐 变窄。变窄。 ID随着的随着的增加而线增加而线 性增大。性增大。 P 衬底衬底B N+N+ SGD P 衬底衬底B N+N+ SGD 随着随着UDS的增大，的增大， UGD减小，减小， 当当UDS增大到增大到UG

12、D 时时 ， 导电沟道在漏极一端产生夹断，导电沟道在漏极一端产生夹断， 称为称为。 P 衬底衬底B N+N+ SGD 若若UDS继续增大，夹断区继续增大，夹断区 延长。漏电流延长。漏电流ID几乎不变化，几乎不变化， 管子进入恒流区。管子进入恒流区。ID几乎仅几乎仅 仅决定于仅决定于UGS 。此时可以把此时可以把 。 恒流区恒流区 击穿区击穿区 可变电阻区可变电阻区 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V ID /mA UDS =10V 0 1 2 3 246 UGS / V UGs(th) 输出特性输出特性 转移特性转移特性 UDS / V ID /mA 夹

13、断区夹断区 2 )( )1( thGS GS DOD U U II UDS =10V 0 1 2 3 246 UGS / V UGs(th) ID /mA 制造时制造时, ,在在sio2绝缘层中掺入绝缘层中掺入 大量的正离子大量的正离子, ,即使即使UGS=0=0，在，在 正离子的作用下，源正离子的作用下，源- -漏之间也漏之间也 存在导电沟道。只要加正向存在导电沟道。只要加正向 ，就会产生，就会产生ID。 结构示意图结构示意图 P 源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G B N+N+ 正离子正离子 反型层反型层 SiO2 只有当只有当小于某一值时，才会小于某一值时，才会 使导电沟道消失，此时的使导

14、电沟道消失，此时的称为称为 夹断电压夹断电压 。 d N沟道符号沟道符号 B s g P沟道符号沟道符号 d B s g D B S G N沟道符号沟道符号 D B S G P沟道符号沟道符号 耗尽型耗尽型MOS管符号管符号 增强型增强型MOS管符号管符号 4 3 2 1 0 4812 UGS =1V 2V 3V 输出特性输出特性 转移特性转移特性 1 2 3 0V 1 0 1 2 123 UGS / V ID UGS UGs(off) UDS / V UDS =10V ID /mA ID /mA NMOS耗 尽型 PMOS耗 尽型 场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性 NMOS增 强型

15、PMOS增 强型 场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性 P沟道 结型 N沟道 结型 场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性 测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电 位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作 状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。 管号管号UGS(th)/VUS/VUG/V UD/V工作状态工作状态 T14-513 T2-43310 T3-4605 恒流区恒流区 截止区截止区 可变电阻区可变电阻区 UDS为固定值能产生漏极电流为固定值能产生漏极电流ID所需的栅所需的栅-源电压源电压 UGS的的最小值最小值,它是它是增强型增强型MOS管的参数管的参数。（。（NMOS管管

16、 为正，为正，PMOS管为负）管为负） UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源源 电压。是电压。是结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管管的参数（的参数（ NMOS管为负，管为负， PMOS管为正）。管为正）。 栅栅- -源电压与栅极电流的比值，其值很高源电压与栅极电流的比值，其值很高, ,一般为一般为 107-1010左右。左右。 对于对于耗尽型耗尽型MOS管管,在在UGS =0情况下产生情况下产生 预夹断时预夹断时 的漏极电流。的漏极电流。 gm= iD / uGS UDS =常数常数 gm是衡量栅是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力

17、的一源电压对漏极电流控制能力的一 个重要参数。个重要参数。 管子工作在恒流区并且管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流为常数时，漏极电流 的微变量与引起这个变化的栅的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比源电压的微变量之比 称为低频跨导称为低频跨导,即即 rds反映了反映了UDS对对ID的影响，是输出特性曲线上的影响，是输出特性曲线上Q点处点处 切线斜率的倒数切线斜率的倒数 rds在在恒流区很大。恒流区很大。 常数 GS U D DS ds i u r 管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。 管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的管子进入恒流区后，使漏极

18、电流骤然增加的UDS 称为漏称为漏-源击穿电压。源击穿电压。 对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿 的的UGS称为栅称为栅-源击穿电压。源击穿电压。 对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS 称为栅称为栅-源击穿电压。源击穿电压。 PDM决定于管子允许的温升。决定于管子允许的温升。 1.场效应管场效应管利用栅源电压控制漏极电流，利用栅源电压控制漏极电流，是电是电 压控制元件压控制元件，栅极基本不取电流（很小），栅极基本不取电流（很小），输入，输入 回路电阻很大回路电阻很大； 晶体管晶体管利用基极电流控制集电利

19、用基极电流控制集电 极电流，极电流，是电流控制元件是电流控制元件，基极索取一定电流，基极索取一定电流， 输入阻抗较小输入阻抗较小。 场效应管的栅极场效应管的栅极g g、源极、源极s s、漏极、漏极d d对应于晶体对应于晶体 管的基极管的基极b b、发射极、发射极e e、集电极、集电极c c，能实现对信号，能实现对信号 的控制。的控制。 2. 晶体管的放大倍数通常比场效应管大。 3. 场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均 参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射 能力强。 4. 场效应管比晶体管噪声系数小。 5. 场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性 变化不大；而晶体管的发射极和

20、集电极互换后特性 差异很大,一般不能互换使用。 6. 场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型 MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极 电流。 7.MOS管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。 8. 场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路， 但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范 围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的 应用于集成电路中。 能实现对信号的控制； 三种组态相对应； 分析方法相同。 为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压； 而对BJT则加适当的偏流。 场效应管放大电路也必 须建立合适的静态工作点， 保证有输入信号时工作在 恒流区。 此电路形式只适用此电路形式只

21、适用 于耗尽型于耗尽型MOSMOS器件。器件。 静态时静态时RG的电流近的电流近 似为零，靠源极电阻似为零，靠源极电阻 上的电压为栅上的电压为栅-源提供源提供 一个负偏压。一个负偏压。 （ 栅极电流为栅极电流为0） 2 )( )1 ( offGS GSQ DSSDQ sDQSQGQGSQ U U II RIUUU )( sDDQDDDSQ RRIVU （耗尽型（耗尽型MOS管管 的电流方程）的电流方程） 电路结构电路结构 直流通路直流通路 sDQDD GG G SQGQGSQ RIV RR R UUU 21 2 2 )( ) 1( thGS GS DODQ U U II （栅极电流为（栅极电流

22、为0） IDQ UGSQ )( SDDQDDDSQ RRIVU （增强型（增强型MOS管管 的电流方程）的电流方程） 求静态静态工作点作 5 . 0，1场效应管的,18,30 ,2,10,47,2图示电路中，:例 ）（ 21 mAIVUVVkR kRMRkRMR DSSoffGSDDD SGGG 2 2 )( ) 1 1 (5 . 0 )1 ( GSQ offGS GSQ DSSDQ U U U II sDQDD GG G SQGQGSQ RIV RR R UUU 21 2 解：解：（求静态，（求静态，电容开路）电容开路） 。 DQGSQ GSQDQ IU UI 24 . 0 )1 (5 .

23、0 2 VU VU mAI mAI DS GSQ DQ DQ 1 . 8 22. 0 31. 0所以 )64. 095. 0( （本例（本例IDQ不应大于不应大于IDSS) (,) DGSDS if uu DS U DS D GS U GS D D u u i u u i i GSDS ddd 求全微分求全微分 与分析晶体管的h参数等效模型相同，将场效应管 也看成两端口网络。 1 1 DS GS D m GS U D DSds U dmgsds ds i g u i ur Ig UU r 令 低频小信号模型 是输出回路电流 与输入回路电压之比 ，称跨导,电导量纲。 是描述MOS管输出 特性曲线

24、上翘程度的参数， 等效为电阻，在几十几 百千欧之间。通常 rds可 视为开路。 ds ds gsmd U r UgI 1 。 s d g . . Ugs gmUgs mDO DQ GS(th) 2 gII U DQDSS offGS m II U g )( 2 耗尽型（结型）：耗尽型（结型）： 增强型：增强型： Q点不仅影响电路是否失点不仅影响电路是否失 真真,还影响动态参数。还影响动态参数。 微变等效电路微变等效电路 / OdL u igs mgsL mL gs LDL UI R A UU g U R g R U RRR Gi RR Do RR 例33图3-14电路中令CS和RL开路， .1 ,10,2,2,100,300 21 mSg kRkRMRkRkR m DSGGG 计算u、Ri和Ro 图3-14 解：先画出微变等效电路解：先画出微变等效电路 12 / 2.075 iGGG RRRR M kRR Do 10 共源电路的电压增益比共射共源电路的电压增益比共射 电路小，输入电阻大。电路小，输入电阻大。 3.3 1 gs OmD u gs igsmS mD mD Ug UR A UUg UR g R g R 微变等效电路微变等效电路 / 1 mgsL o u igsmgsL mL LLS mL g UR U A UUg UR g R RRR