模拟电路第四章

半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管BJT

二是场效应半导体三极管FET4场效应管放大电路

双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种CCCS器件。

场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。

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，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件VCCS。

从参与导电的载流子来划分:

1.电子作为载流子的N沟道器件2.空穴作为载流子的P沟道器件。

从场效应三极管的结构来划分:1.金属氧化物半导体三极管MOSFET,也称绝缘栅型场效应三极管IGFET2.结型场效应三极管JFET

§4.1金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)一、N沟道增强型MOSFET

㈠结构

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。

MOSFET也称绝缘栅型场效应三极管IGFET。根据图4.3.1，

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，MOSFET结构示意图（动画4-3-1）说明:栅极g处于绝缘状态,

Ig=0,

Ri很高,约1015Ω,所以称绝缘栅型场效应管IGFET;箭头方向表示P(衬底)指向N(沟道)虚线代表增强型沟道

当栅极加有电压时，若0＜vGS＜VGS(th)（VT）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(动画4-3-2）足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流iD。㈡工作原理

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。

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，见图4.3.3。

进一步增加vGS，当vGS＞VGS(th)时（VGS(th)称为开启电压)，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(感应沟道）。

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。

图4.3.3vGS对漏极电流的控制特性——转移特性曲线

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

vDS=const(单位mS)

iD=f(vGS)VDS=const

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4.3.4所示。根据此图可以有如下关系

图4.3.4

漏源电压vDS对沟道的影响(动画4-3-4)

当vDS为0或较小时，沟道分布如图4.3.5(a)，此时vDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

当vDS继续增加时，沟道如图4.3.5(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再继续增加时，沟道如图4.3.5(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4.3.6所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。

㈢MOSFET的特性曲线

当vGS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4.3.6所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。图4.3.6漏极输出特性曲线vGD=vGS-vDS=VTvDS=vGS-VT预夹断临界点轨迹vDS≦vGS-VT截止区vGS＜VTvDS≧vGS-VT2023/2/5①截止区vGS﹤VT，iD=0②可变电阻区vDS≦vGS-VT，vDS与iD线性关系，斜率不同，是一个受vGS控制的可变电阻。③饱和区（恒流区或放大区）当vGS≧VT，且vDS≧vGS-VT时，MOSFET进入饱和区。iD基本不随vDS变化。该区的V-I特性表达式：iD=IDO[vGS/VT－1]2

IDO

=

KnVT2

，它是vGS=

2VT时的

iD图4.3.6漏极输出特性曲线vGD=vGS-vDS=VT预夹断临界点轨迹vDS≦vGS-VT截止区vDS≧vGS-VT2023/2/5

㈢MOSFET的特性曲线

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，与输出特性曲线反映FET工作的同一物理过程。图4.3.3转移特性曲线

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

vDS=const2023/2/5MOSFET分为:增强型

vGS

=0,无导电沟道,即iD

=0

N沟道、P沟道

耗尽型

vGS

=

0,有导电沟道,即iD≠0N沟道、P沟道2023/2/5㈣N沟道耗尽型MOSFET

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。N沟道耗尽型MOSFET的漏极输出特性曲线如图4.3.6(b)所示。

N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图4.3.6(a)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。(a)结构示意图曲线(b)漏极输出特性曲线VPiD=IDSS[1－vGS/VT]2

IDSS饱和漏极电流当vGS≧VT，且vDS≧vGS-VT时，MOSFET进入饱和区。图4.3.6

N沟道耗尽型MOSFET的结构

㈤MOSFET的参数

⑴直流参数①开启电压VGS(th)(或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

㈤

MOSFET的参数

②夹断电压VP

夹断电压是耗尽型MOS管的参数，当vGS=VP时,漏极电流为零。

③饱和漏极电流IDSS耗尽型MOS管,|vGS|=10V时，当vGS=0时所对应的漏极电流。VP

㈤

MOSFET的参数

④直流输入电阻RGS

场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。⑵交流参数①输出电阻rds反映了漏源电压对漏极电流的影响。②

低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用。VP

㈤

MOSFET的参数

⑶极限参数

①最大漏极电流IDM

②最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=vDSiD决定，与双极型三极管的PCM相当。③最大漏极电压V（BR）DSMOSFET的性能比较N沟道增强型P沟道增强型MOSFET的性能比较N沟道耗尽型P沟道耗尽型

㈠JFET的结构

JFET的结构如图4.1所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。其中的方向表示栅极正偏时，栅流的方向。

图4.1.1结型场效应三极管的结构(动画4-1-1

）§4.3结型场效应管（JFET）

㈡JFET的工作原理现以N沟道为例说明其工作原理

①栅源电压对沟道的控制作用

先假设当vDS=0时，当vGS由零向负值增大时，在反偏电压作用下，两个PN结的耗尽层将加宽，使沟道变窄，沟道电阻增大，当|vGS|进一步增大到某一值|VP|时，两侧耗尽层将在中间合拢，沟道全部被夹断。此时漏源极间的电阻将趋于无穷大，相应的栅源电压vGS称为夹断电压VP。这一过程如图4.1.2所示。图4.1.2vGS对沟道的控制作用（动画4-1-2）

②漏源电压对沟道的控制作用

当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。这一过程如图4.1.3所示。

图4.1.3漏源电压对沟道的控制作用（动画4-1-3）在栅极加上电压，若漏源电压vDS从零开始增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。

㈢JFET的特性曲线

JFET的特性曲线有两条:一是转移特性曲线，二是输出特性曲线，两者反映FET工作的同一物理过程。

JFET的特性曲线如图4.1.4所示。(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线图4.1.4N沟道结型场效应三极管的特性曲线动画（4-1-4）

动画（4-1-4）

㈢JFET的特性曲线

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，见图4.3.3。iD=IDSS[1－(vGS/VP)]2

(VP

vGS

0,即在饱和区或恒流区内）

㈣JFET的参数

参数同耗尽型MOSFET。JFET的性能比较N沟道JFETP沟道JFET§4．3场效应三极管放大电路

三种组态：CS共源组态基本放大电路CD共漏组态基本放大电路CG共栅组态基本放大电路共源组态基本放大电路

对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图4.4.1所示。图4.4.1共源组态接法基本放大电路

比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。(1)直流分析

将共源基本放大电路的直流通道画出,如图4.4.2所示。4.4.2共源基本放大电路的直流通道

图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。根