模拟电子技术基础第5章

模拟电子技术基础第5章第一页，共40页。场效应管的分类；金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET）的结构、工作原理、输出特性曲线和转移特性曲线，以及各参数；场效应管放大电路的结构及分析方法；场效应管的特点（主要与BJT相比较而言）本章主要内容第二页，共40页。第5章场效应管放大电路场效应管【FET——FieldEffectTransistor】双极型三极管场效应管BJTFET电流控制的元件(iB→iC)电压控制的元件(vGS→iD)两种载流子（电子和空穴）同时参与导电——故称双极型三极管只有一种载流子（电子或空穴）参与导电——故也称单极型三极管对照两种形式的三极管：第三页，共40页。功耗低集成度高（单位面积上容纳的门电路数量远大于双极型三极管）输入阻抗大（107～1012）热稳定性好（与环境温度关系不大）抗干扰能力强缺点：速度低。FET的特点：体积小，重量轻，价格低，寿命长；第四页，共40页。FET的分类：根据结构不同，可分为：结型场效应管（JFET——JunctiontypeFieldEffectTransistor）金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET——MetalOxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor）N沟道P沟道P沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型第五页，共40页。5.1金属－氧化物－半导体场效应管MOSFETP沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型分类：所谓“增强型”：指vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压vGS的作用，才形成感生沟道的FET，称为增强型FET。所谓“耗尽型”：指vGS=0时，也会存在导电沟道，iD≠0的FET，称为耗尽型FET。第六页，共40页。符号：一.N沟道增强型MOSFET结构SiO2绝缘层铝电极半导体第七页，共40页。工作原理①栅源电压vGS的控制作用当vGS=0V时：N+PN+sdB任意极性sdBiD=0第八页，共40页。当vGS＞0V时→认为金属极板（铝）与P型衬底间构成一个平板电容现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V+-→形成由栅极指向P型衬底的纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→形成耗尽层。第九页，共40页。现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V当vGS增大时→耗尽层增宽，并且该大电场会把衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一N型薄层，构成漏-源之间的导电沟道，称为反型层（也称感生沟道）。vGS↑→反型层越厚→沟道电阻↓→两个N+区被感生沟道连在一起∵vDS=0

∴iD≡0第十页，共40页。刚刚产生沟道所需的栅源电压vGS，用VT表示

。vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。N沟道增强型MOS管的基本特性：

vGS＜VT，管子截止，vGS＞VT，管子导通。vGS越大，沟道越宽，在漏源电压vDS＝0时，漏极电流ID始终为0。关于“开启电压”的定义第十一页，共40页。②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用假设vGS＞VT且为一固定值时，并在漏－源之间加上正电压vDS:(b)外加vDS较小时vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0时，iD=0第十二页，共40页。②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用假设vGS＞VT且为一固定值时，并在漏－源之间加上正电压vDS:vDS↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄(b)外加vDS较小时vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0时，iD=0第十三页，共40页。②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。第十四页，共40页。②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）vDS再增加，预夹断区加长，vDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。第十五页，共40页。总结N沟道增强型MOSFET的工作原理：第十六页，共40页。3.

V-I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①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。第十七页，共40页。3.

V-I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②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻第十八页，共40页。3.

V-I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②可变电阻区

n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V2第十九页，共40页。3.

V-I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③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iDV-I特性：第二十页，共40页。3.

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性第二十一页，共40页。二.N沟道耗尽型MOSFET

在栅极下方的SiO2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。符号第二十二页，共40页。当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有iD。当vGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当vGS＜0时，沟道变窄，iD减小。

夹断电压（VP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。特点：第二十三页，共40页。沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后第二十四页，共40页。5.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析3.小信号模型分析第二十五页，共40页。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第二十六页，共40页。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）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第二十七页，共40页。假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：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，第二十八页，共40页。5.2.1MOSFET放大电路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第二十九页，共40页。5.2.1MOSFET放大电路2.图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同第三十页，共40页。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，第三十一页，共40页。5.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型=0时高频小信号模型0时第三十二页，共40页。3.小信号模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大电路分析（例5.2.5）s第三十三页，共40页。3.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）s第三十四页，共40页。各种场效应管的符号及特性N沟道JFET(耗尽型)P沟道JFET(耗尽型)符号转移特性输出特性N沟道MOSFET(增强型)第三十五页，共40页。各种场效应管的符号及特性N沟道MOSFET(耗尽型)P沟道MOSFET(增强型)符号转移特性输出特性P沟道MOSFET(耗尽型)第三十六页，共40页。FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。 电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。

本章小结共栅电路输入阻抗小，优点被淹没了，所以实际应用时基本上不用。第三十七页，共40页。双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管单极型场效应管载流子多子扩散少子漂移少子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上热噪声较大较小静电影响不受静电影响易受静电影响制造工