四川大学模拟电子技术第五章

1、5.1 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属- -半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型场效应管的分类：场效应管的分类： 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电

2、压控制输出电流的半的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的为载流子的N N沟道沟道器件和空穴作为载流子的器件和空穴作为载流子的P P沟道沟道器件。器件。5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结

3、构结构（N沟道增强型）沟道增强型）L ：沟道长度：沟道长度W ：沟道宽度：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 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。动画剖面图剖面图符号符号D(Drain)为漏极，相当为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当为源极，相当e。 符号中的箭头方向表示什么？短画线符号中的箭头方向表示什么

4、？短画线表示什么？表示什么？箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。短画线表示未加栅压时，漏源间没有导电沟道。（P199）绝缘栅绝缘栅场效应三极管场效应三极管(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沟道沟道耗尽型：耗尽型：vGS=0，iD 0增强型：增强型：vGS=0，iD0MOSFET：利用：利用VGS控制半导体表面的电场效应，控制半导体表面的电场效应，通过改变感生沟道的宽窄来控制通过改变感生沟道的宽窄来控制iD 。2. 工作原理工作原理（N沟道增强型）沟道增强型）（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS=0=0时

5、时当VGS=0 V时，漏源之间形成两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，总有一个PN结是反偏的，不会在D、S间形成电流。iD=0。 栅极和衬底相当于以SiO2为介质的平板电容，在正的栅源电压作用下产生由栅极指向衬底的强电场，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，吸引少子（电子）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，所以仍然不足以形成漏极电流iD。当当00vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布当当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，相当时，相当于于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚

6、增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为刚开启的情况，称为预夹断，预夹断，此此时的漏极电流时的漏极电流ID基本饱和。基本饱和。 （2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT当当VDS增加到增加到VGD VT时，时，预夹断区域加长，伸向预夹断区域加长，伸向S极。极。沟道电阻增加，沟道电阻增加，VDS增加的部分基本降落在随增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变基本趋于不变。（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD D基本不变基

7、本不变（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时, ,iD D vGSGS曲线。曲线。 vGSGS一定一定, ,vDSDS变化时变化时, ,iD D vDS DS 曲线。曲线。动画3. V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟时，导电沟道尚未形成，道尚未形成，iD0，为截止工作状态。为截止工作状态。 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT）常数常数 GSDDSdsoddvvir)(TGSnVK v21

8、rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 式中式中Kn为电导常数为电导常数,与场效应管的沟道长度与场效应管的沟道长度,和和宽度等参数有关宽度等参数有关,单位为单位为mA/ V2。DSTGSnD vv)V(K2i 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS VT ，且，且vDSDS（v vGSGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2VT时的时的iD D V V- -I I 特性特性：（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)( vvfi2)(TGSnDVKi v

9、5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 结构和工作原理简述结构和工作原理简述（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子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，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流 N沟道耗尽型MOSFET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，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0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VP表示。2. V-I

10、特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 21)(PGSDSSDVIiv 饱和漏极电流夹断电压（N N沟道增强型）沟道增强型）2)(TGSnDVKi v5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的单位为的单位为 m1V 1 . 0 L当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。 修正后修正后 开启电压开启电压VGS(th) (或或VT) 开启电压是开启电压是MOS增强型管

11、的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。场效应管不能导通。 夹断电压夹断电压VGS(off) (或或VP) 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VGS(off) 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管, 当当VGS=0时所对应的漏极时所对应的漏极电流。电流。5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数 输入电阻输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对对于结型场效应三

12、极管，反偏时于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，对于，对于绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管, RGS约是约是1091015。二、交流参数二、交流参数低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转可以在转 移特移特性曲线上求取，单位是性曲线上求取，单位是mS(毫西门子毫西门子)。三、极限参数三、极限参数 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM= VDS ID决定，与双极型三极管决定，

13、与双极型三极管的的PCM相当。相当。 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 5.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2. 图解分析图解分析3. 小信号模型分析小信号模型分析*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算（直流偏置及静态工作点的计算（VGS、ID、VDS)（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）

14、沟道）共源极放大电路共源极放大电路直流通路直流通路DDg2g1g2GSVRRRV 2)VV(KITGSnD dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS VT ，否则工作在截，否则工作在截止区止区*再假设工作在可变电再假设工作在可变电阻区阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRiVv DSTGSnD vV)V(K2i 假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V

15、2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12()2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)152 . 05(dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)VV(VTGSDS SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV )(SSSS

16、DDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI （饱和区）（饱和区） （3）电流源偏置共源极放大电路）电流源偏置共源极放大电路VDS VDD IDRd VS 需要验证是否满足需要验证是否满足)VV(VTGSDS 2. 图解分析图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同 3. 小信号模型分析小信号模型分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(v

17、vKVVKVVK （1）模型）模型DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线非线性失性失真项真项 当当vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )时时( (必须满足的小信号条件），必须满足的小信号条件），DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 0 0时时高频小信号模型高频小信号模型DQDIi gsmvg dDQiI 式中式中gm=2Kn(VGSVT)解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VmS1 mS)12(5 . 02 )(2TGSQnm

18、VVKg（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5 共源电路）共源电路）sdgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siisiiososRRRAA vvvvvvvvs例例5.2.6（共漏电路，源极输出器）（共漏电路，源极输出器）)|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)()|(1)|( siidsmdsmsiiososRRRrRgrRgA vvvvvvvg2g1i| | RRR mdsmdstto1| | 111grRgrRiR

19、 v交流参数归纳如下交流参数归纳如下电压放大倍数电压放大倍数LmioRgVVAvddsdooo/RrRIVR输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻 Ri=Rg1/Rg2 或或 Ri=Rg+(Rg1/Rg2) 共源极电路共源极电路共漏极电路共漏极电路电压放大倍数电压放大倍数LmLmio1RgRgVVAvmmdsooo1/)/1/(/gRgrRIVR输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻Ri=Rg+(Rg1/Rg2)共栅极电路共栅极电路电压放大倍数电压放大倍数.LmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv输入电阻输入电阻mmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVR输出电阻输

20、出电阻 RoRd*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路本小节不作教学要求，有兴趣者自学本小节不作教学要求，有兴趣者自学5.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？ 在在N型半导体硅片的两侧各制造一型半导体硅片的两侧各制造一个个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型型

21、沟道的结构。两个高掺杂沟道的结构。两个高掺杂P+区即为栅区即为栅极，极，N型硅的一端是漏极，另一端是型硅的一端是漏极，另一端是源极。源极。栅结正偏时栅极电流的方向（从栅结正偏时栅极电流的方向（从P到到N）2. 2. 工作原理工作原理（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例） 根据结型场效应三极根据结型场效应三极管的结构，要实现控制作管的结构，要实现控制作用，只能用，只能工作在反偏工作在反偏的条的条件下，对于件下，对于N沟道结型场沟道结型场效应三极管只能工作在负效应三极管只能工作在负栅压区，栅压区，P沟道的只能工作沟道的只能工作在正栅压区。否则将会出在正栅压区。否则将会出现栅流。现栅流。

22、 vGS对沟道的控制作用（VDS不变）当VGS0时对于N沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。沟道电阻增加，沟道电阻增加，iD减小。减小。当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成N沟道多子（电子）由源极向漏极的运动，产生漏极电流iD。VGS继续减小， iD继续继续减小，减小，沟道继续变窄沟道继续变窄当当VGS= VP（夹断电压），耗尽层在中间合（夹断电压），耗尽层在中间合拢，拢，iD=0。此时所对应的栅源电压。此时所对应的栅源电压VGS称为称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。本质：输入电压VGS控制输出电流iD。 vDS对

23、沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS=0时，时， vDS iD g、d间间PN结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变 vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS ， iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处

24、在预夹断处vGD=vGS- -vDS =VP JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。工作原理动画综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也称为单极型三极管。 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。 预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。趋于饱和。为什么为什么JFET的输入电阻比的输入电阻比BJT高得多？高得多？ JFET栅极与沟道间的栅

25、极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi1. 输出特性输出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)与与MOSFET类似类似3. 主要参数主要参数5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)： 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：时）时）（当（当0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或漏极电流约为零时的漏极电流约为零

26、时的VGS值值 。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rd：GSDDSdVivr 低频跨导低频跨导gm：DSGSDmVvig 直流输入电阻直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS5.3.3 JFET放大电路的分析法放大电路的分析法1、

27、直流分析直流分析 对于对于JFETJFET放大电路，除了可采用放大电路，除了可采用MOS管放大电路管放大电路的偏置电路外，还的偏置电路外，还可采用自偏置电路可采用自偏置电路RIVVDSG 0RIRIVVVDDSGGS0注意：该偏置电路不适用于增强型注意：该偏置电路不适用于增强型FET2 2、 JFETJFET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型（2）高频模型）高频模型3 3、动态指标分析、动态指标分析（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rds ， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v

28、ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 |iiRR 由输入输出回路得由输入输出回路得则则giiiRv )|(g2g1g3RRR )|()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)|(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvvvv *5.4 砷化镓金属砷化镓金属- -半导体半导体场效应管场效应管不作教学要求，有兴趣者自学不作教学要求，有兴趣者自学1 1、各种伏安特性曲线比较、各种伏安特性曲线比较场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有六种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方

29、向也有所不同。（P237） 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较2 2、双极型和场效应型三极管的比较、双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管结构结构 NPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 PNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制 电流控制电

30、流源电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm) 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成3 3、各种放大器件电路性能比较、各种放大器件电路性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETbeLc)|(rRR )|)(1()|()1(LebeLeRRrRR beLc)|(rRR CE：CC：CB：)|(LddsmRRrg )|(1)|(LdsmLdsmRRrgRRrg dsLdLddsm|1)|)(1(rRRRRrg CS：CD：CG：beb|rR输出电阻：输出电阻：cR )|)(1(|LebebRRrR rRRR 1)|(|bebserR 1|beecRBJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：很高很高m1|gR很高很高CE：CC