模电第五章课件

学习方法：和BJT及基本放大器对照学学习内容：FET放大器场效应管(简称FET)工作原理及特性曲线§5场效应管放大电路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5.2MOSFET放大电路§5场效应管放大电路

BJT三极管

场效应管电压控制电流型器件单极型器件电流控制电流型器件双极型器件5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应JFET输入电阻约106～109。而绝缘栅FET输入电阻可高达1015。耗尽型当UGS=0时，D、S之间就存在导电沟道，称为耗尽型场效应晶体管金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）增强型当UGS=0时，D、S之间没有导电沟道，ID=0，称为增强型场效应晶体管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.1N沟道增强型MOSFET(a)剖面图1.结构（N沟道）(b)增强型的符号图5.1.1N沟道增强型MOSFET结构及符号利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及N+型区的表面上分别引出三个电极——栅极g、源极s、漏极d。铝sgd二氧化硅N+N+PVDD

VGS=0，即使加VDS，无沟道，

iD=0，VDSds衬底总有一个PN结反偏；此时若s与衬底连，则d与衬底间PN结亦是反偏。图5.1.2(a)vGS=0时，没有导电沟道5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理(1)vGS对沟道的控制作用VGS>0，排斥空穴，吸引电子到半导体表面VGS到VGS>VGS(th)，半导体表面形成N导电沟道，将源区和漏区连起来。VGS(th)：开启电压sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)沟道图5.1.2(b)vGS≥VT时，出现N型沟道5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理(1)vGS对沟道的控制作用图5.1.2(c)vGS>VT时，vDS较小时，iD迅速增大加上VDSVGS>VTVDS=0iD=0VDSiD沟道成楔形（VGS–VDS>VT

）见图(c)VDS靠d端被夹断（VGS–VDS=VT

）VDS夹断区iD饱和（VGS–VDS<VT

）见图(d)2.工作原理sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)沟道iD迅速增大(2)vDS对沟道的控制作用sgdN+N+PVDDVGGiD饱和夹断区图5.1.2(d)vGS>VT，vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和2.工作原理当vGS一定（vGS>VT）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。在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT(2)vDS对沟道的控制作用预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变，达到饱和2.工作原理(2)vDS对沟道的控制作用(2)vDS对沟道的控制作用

VDS并不能控制iD。要增大iD，须增大VGS，使沟道加宽；要减小iD，须减小VGS，使沟道变窄；这体现了VGS对iD的控制。sgdN+N+PVDDVGGN型(感生)沟道N沟道增强型绝缘栅场效应管2.工作原理3.

V-I特性曲线及大信号特性方程(1)输出特性当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。②可变电阻区③饱和区（恒流区又称放大区）①截止区rdso是一个受vGS控制的可变电阻vGS>VT

，且vDS≥(vGS－VT)是vGS＝2VT时的iDKn为电导常数，单位：mA/V23.

V-I特性曲线及大信号特性方程(2)转移特性(直接由作图法获得)a.讨论输入特性无意义b.当

VTvGS

时，iD和vGS的关系是：是vGS＝2VT时的iD归纳：VGS>VT

，在半导体表面形成感生沟道，并控制它。VGS沟道iDVGS沟道iD这就是VGS对iD的控制VGS

沟道 iD

0 存在 有VDS就有iD>0 变宽 <0 变窄 ++++++sgd衬底引线N+N+N型沟道PN沟道耗尽型MOS管5.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.工作原理（N沟道）3.V-I特性曲线

（N沟道增强型）(a)输出特性曲线(b)vDS>(vGS-VP)时的转移特性夹断电压（截止电压）VGS(off)图5.1.5N沟道耗尽型MOSFET是vGS＝2VT时的iD5.1.3P沟道MOSFET1、开启电压VT夹断电压VP2、饱和漏电流IDSSVT是增强型MOS管的参数。当vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如50A）时，栅源之间所加的电压。VP是耗尽型MOS管的参数。令vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如20A）时，栅源之间所加的电压。IDSS是指工作于饱和区时，耗尽型场效应晶体管转移特性曲线上在vGS=0时的漏极电流。3、直流输入电阻RGS在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS。MOS管的RGS可达109～1015。5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数2、低频互导gm它是转移特性上工作点的切线的斜率，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。gm随工作点的不同而变，一般在十分之几至几mS的范围内，特殊的可达100mS，甚至更高。5.1.5MOSFET的主要参数二、交流参数1、输出电阻rds输出电阻rds说明了vds对iD的影响，是输出特性曲线某一点上切线斜率的倒数。增强型NMOS估算gm:是指栅源间的PN结发生反向击穿，反向电流开始急剧增加时的vGS值。三、极限参数3、漏源击穿电压V(BR)DS4、栅源击穿电压V(BR)GS是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。2、最大耗散功率PDMPDM＝vDSiD，这些耗散功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高，就要限制它的耗散功率不能超过最大数值PDM。显然，PDM受管子最高工作温度的限制。1、最大漏极电流IDM

IDM是管子正常工作时漏极电流允许的上限值。5.1.5MOSFET的主要参数5.2.1MOSFET放大电路1.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1.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）假设工作在饱和区，即验证是否满足如果不满足，则说明假设错误须满足VGS>VT

，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即5.2.1MOSFET放大电路假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例5.2.1：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，1.直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足5.2.1MOSFET放大电路例5.2.2：电路如图5.2.2所示，设MOS管的参数为VT=1V，Kn=500µA/V2。电路参数为VDD=5V，-VSS=-5V,Rd=10kΩ,

R=0.5kΩ,ID=0.5mA。若流过Rg1、Rg2的电流是ID的1/10,试确定Rg1和Rg2的值。图5.2.2带源极电阻的NMOS共源极放大电路解：设MOS管工作于饱和区，则有MOS管的确工作于饱和区，与最初假设一致电流源偏置1.直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I（假设在饱和区）

5.2.1MOSFET放大电路（验证在饱和区）2.图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同5.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当，vgs<<2(VGSQ-VT)时，5.2.1MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路场效应管的小信号模型(a)N沟道增强型MOS管(b)=0,rds=∞时的低频小信号模型(c)0,rds为有限值的低频小信号模型条件：信号是微变量管子工作在线性区例5.2.5：电路如图5.2.2所示，设MOS管的参数为VT=1V，Kn=500µA/V2,λ=0。电路参数为VDD=5V，-VSS=-5V,Rd=10kΩ,

R=0.5kΩ,Rg1=150kΩ、Rg2=47kΩ,Rs=4kΩ。试确定电路的电压增益Au、源电压增益Aus、输入电阻Ri和输出电阻Ro。图5.2.2带源极电阻的NMOS共源极放大电路s图5.2.2的小信号等效电路放大电路分析（例5.2.5）s图5.2.2的小信号等效电路例5.2.2中已经求出Q点例5.2.6：电路如图5.2.10a所示，设耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，rds很大，可忽略。试画出其小信号等效电路，求出其输入电阻、小信号电压增益、源电压小信号电压增益和输出电阻。图5.2.10NMOS源极跟随器图5.2.10所示电路的小信号等效电路sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1图5.2.10所示电路的小信号等效电路sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1解：sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1例5.2.6：电路如图5.2.10a所示，设耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，rds很大，可忽略。试画出其小信号等效电路，求出其输入电阻Ri、小信号电压增益Au、源电压小信号电压增益Aus和输出电阻Ro。图5.2.10所示电路的小信号等效电路sdrds–+g+–vsRvgs+–gmvgsv0RsRg2Rg1例5.2.6：电路如图5.2.10a所示，设耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，rds很大，可忽略。试画出其小信号等效电路，求出其输入电阻Ri、小信号电压增益Au、源电压小信号电压增益Aus和输出电阻Ro。解：5.3结型场效应管5.3.1JFET的结构和工作原理5.3.2JFET的特性曲线及参数5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法1.结构和符号(c)N沟道结型场效应晶体管图形符号gsdP+SGDNNP+(b)N沟道结型场效应晶体管示意图栅极源极漏极5.3.1JFET的结构和工作原理箭头表示PN结方向（PN）gsd(b)N+sgdPPN+(a)源极漏极栅极(a)P沟道结型场效应晶体管内部结构(c)P沟道结型场效应晶体管图形符号N-SGDPPN-(b)P沟道结型场效应晶体管示意图2.工作原理(以N沟道JFET为例)VGGsgdNNP+P+－＋－＋VGSVDD＋－ID场效应晶体管的工作原理结型场效应晶体管施加偏置电压：栅极(g)和源极(s)间加反偏电压

VGS≤0漏极(d)与源极(s)间加正向电压

VDS>0在漏源电压VDS的作用下，N型沟道中的载流子运动，产生沟道电流ID。当VGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，导致沟道电阻的改变，从而实现利用电压VGS控制ID的目的。(a)

vGS=0时，场效应晶体管两侧的PN结均处于零偏置，此时耗尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。令vDS=0，看耗尽层的变化即沟道的宽窄vGS=0sgdNNP+P+a)导电沟道最宽①vGS对沟道的控制作用2.工作原理(以N沟道JFET为例)在g和s（PN结）间加一反偏电压，即VGS为负值。(b)|VGS|，耗尽层均匀增加，沟道均匀变窄。b)导电沟道变窄VGSsgdNNP+P+(c)|VGS|，VGS=VP(或者VGS(off))，沟道被夹断。VP

：夹断电压即使加VDS，iD亦为0。应用的时候，控制信号加在G、S所在的电路中，当VGS在负值范围内变化时，由于PN结的反偏，栅极电流基本上为0，体现了控制信号能量消耗很小的优点。VDSVGSsgdNgiD0耗尽层耗尽层P+P+c)导电沟道夹断对于N沟道的JFET，VP<0。令VGS=0，看iD和VDS的关系(a)VDS=0，

iD=0P+sgdNP+g耗尽层iD=02.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用(b)VDS，沟道电场强度（以这为主）iD

但从源极到漏极，产生一个沿沟道的电位梯度，使加在PN结上的反偏电压由靠近源极的0到VDS。因此靠漏极耗尽层宽，靠源极耗尽层窄，沟道成楔形。P+sgdNP+g耗尽层iD迅速增大VDS2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用(c)VDS，两边耗尽层在A点相遇，称为预夹断，此时g点和A点间电压为VP。即VGD=VGS–VDS=VP

P+sgdNP+iD趋于饱和VDSA耗尽层耗尽层2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用*(d)VDS，iD不变夹断长度（VDS不能控制iD）P+sgdNP+g耗尽层iD饱和VDS耗尽层A2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用要使iD减少，须加负的VGS。VGS越负，iD越小。体现了VGS对iD的控制作用。（VGS产生的电场变化控制iD，称为场效应管）sgdNgiD饱和VDSAVGSP+P+耗尽层耗尽层2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用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，

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，iD受vGS控制。预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因

此iG0，输入电阻很高。1.转移特性曲线a.讨论输入特性无意义b.当

VPvGS0时，iD和vGS的关系是：IDSS：饱和漏电流UGGsgdNNP+P+－＋－＋UGSUDD＋－IDUGS(off)=-3.4(V)UDS＝10(V)图2-6转移特性曲线ID(mA)–3–2–401234UGS(V)IDSS–15.3.2JFET的特性曲线及参数最大值2.输出特性曲线I区：可变电阻区。VGS越负，漏源间等效交流电阻越大。III区：恒流区(线性放大区，电流饱和区)II区：夹断区VGGsgdNNP+P+－＋－＋VGSVDD＋－iD12340预夹断轨迹ⅢⅣIVDS(V)iD(mA)–1–2VGS=0VGS=VP=–3.41020夹断区Ⅱ结型场效应晶体管的输出特性曲线5.3.2JFET的特性曲线及参数(与MOSFET类似)3.主要参数5.3.2JFET的特性曲线及参数小结:耗尽型MOSFET和JFET比较相同点：VGS=0时，有沟道管子工作在饱和区有不同点：耗：VGS可正可负结型：VGS05.3.2FET放大电路的小信号模型分析法1.FET小信号模型(1)低频模型（2）高频模型结型场效应晶体管共源放大电路sdRdRg2g+–Rg1Rg3viRvgs+–gmvgs–+rdsv0(b)小信号等效电路(a)结型场效应晶体管共源电路Cb1+–RgdsRg2VDDCb2+–Rg3Rg1Rd＋＋2.动态指标分析sdRdRg2g+–Rg1Rg3viRvgs+–gmvgs–+rdsv0(b)小信号等效电路2.动态指标分析结型场效应晶体管共源放大电路(1)忽略rds，求得放大电路的中频增益Av为：(b)小信号等效电路v0sdRdRg2g+–Rg1Rg3viRvgs+–gmvgs–+2.动态指标分析(2)输入电阻(3)输出电阻(b)小信号等效电路v0sdRdRg2g+–Rg1