模拟电子技术0CH05教材

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5.0场效应管分类1基本要求·了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数·掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标·了解双极型三极管（BJT）和场效应管两种放大电路各自的特点5场效应管放大电路主要内容·金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管结构及工作原理·MOSFET放大电路2三端放大器件双极结型三极管BJT（BipolarJunctionTransistor)电流控制电流双极型器件，两种载流子参与导电场效应管FET（FieldEffectTransistor)电压控制电流单极型器件，仅多子导电同路控制器件旁路控制器件本章节是对三端放大器件的总结复习3耗尽型（D型）P沟道（空穴型）P沟道增强型（E型）N沟道（电子型）N沟道FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：在VDS作用下无iDP沟道N沟道耗尽型4JFET(JunctionFET）MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor)制造工艺简单输入阻抗大（适合做电路的输入级）特点：热稳定性好抗辐射能力强体积小重量轻耗电省寿命长噪声低容易击穿放大倍数小55.1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6主体结构-衬底5.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道为例）一块P型半导体薄片参杂浓度较低电阻率较高N型区制作用光刻工艺扩散对称扩散两个N区高掺杂N+在N区以外三处生成材料SiO2生成薄膜绝缘层很薄7安置AL电极sd5.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道为例）中间二氧化硅表面构成栅极g两边N区构成漏极d和源极s在中间二氧化硅下两N+区之间沟道位置g结构特点左右对称两个背靠背PN结同样有三个电极85.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox

：绝缘层厚度通常W>L0.5~10μm0.5~50μm40nm沟道参数：9105.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）符号D(Drain):漏极，相当cG(Gate):栅极，相当bS(Source):源极，相当eB(Substrate):衬底符号的断续代表无电连通箭头向内代表N沟道115.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS≤0时无导电沟道，

d、s间加电压时，无电流产生。（此时P沟道不能导电子流。）当0<vGS

<VT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。vGS加电压该电压加在二氧化硅板的两端。电压加在二氧化硅板的两端。GSD125.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS≥VT

时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。

vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压GSD13通过vGS电压（>VT)使二氧化硅极板下聚集电子要点：相当与在一个N型半导体上加载电压当然会有电流通过。N型沟道与两端N区连通当两端N区加载电压时当vGS电压>VT时使二氧化硅极板下聚集电子形成一个N型沟道。14当vGS越大，导电沟道越厚，电阻越小，同一DS电压下形成的电流越大。152.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用

靠近漏极d处的电位升高

d端极板两端电场强度(VGD)减小当vGS一定（vGS

>VT）时，但当vDS

iD

vGD↓vGS一定在绝缘板下形成等厚度的沟道

d端附近的沟道厚度减少整个沟道呈楔形分布GSD16当vGS一定（vGS

>VT）时，vDS

iD

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。2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS

=VT17预夹断后，vDS

夹断区延长

沟道电阻

iD基本不变2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用夹断后d处形成反偏PN结，P区参杂小，耗尽层小，所以维持较大的恒定漏电流。VGS-VT是沟道裕量！-大好182.工作原理（3）vDS和vGS同时作用时

vDS一定，vGS变化时给定一个vGS

，就有一条不同的iD

–vDS

曲线。与BJT不同有多条曲线-变阻与BJT输出曲线非常相似19小结：203.

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特性曲线分三个区沟道夹断截止区无-变阻区有没夹断饱和区有有夹断213.

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。223.

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vDS和vGS都与iD成正比rdso是一个受vGS控制的可变电阻-输出电阻(在可变电阻区）VT

≤vGD两者共同拉升id233.

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（参量的获取）

n：反型层中电子迁移率本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V2Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容243.

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）V-I特性：且预夹断时：vDS=（vGS－VT）代入上式得：预夹断后iD几乎不变vGD

≤

VTiD和vDS无关FET的“直流β”沟道有且被夹断因为此时iD不变253.

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）是vGS＝2VT时的iD263.

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性由于栅极输入无电流故无输入伏安特性但有转移特性：也可由输出特性曲线图中得出转移特性可以由该公式得出表征输入电压对输出电流的控制：273.

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性转移特性由该公式得出也可由输出特性曲线图中得出与VDS无关的二次曲线，线性较好BJT有转移特性吗？28GSDR↓R↓VTiDVT

≤vGDVT=vGDVT

≥vGD截止iD饱和vGS控制沟道的产生，沟道产生后控制ID的大小vDS产生ID电流，在可变电阻区控制ID的大小，在饱和区几乎与ID大小无关。vDS≥（vGS－VT）vDS

≤（vGS－VT）vDS

=（vGS－VT）295.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述（N沟道）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，而且基本上无栅流自然感应沟道，无需加偏置电压30设此时电压为VP-夹断电压VGS上升，沟道加宽VGS下降，沟道变窄VGS下降为负，沟道继续变窄VGS下降为负到某值时，沟道夹断同样有截止，变阻和饱和三个区可以工作在VGS为负315.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）比较vGS=VT输出特性上移，转移特性右移IDSS是vGS=0时的iD值IDSS—饱和漏极电流325.1.3P沟道MOSFETP沟道MOSFET也有增强型和耗尽型两种符号的箭头方向朝外。电流电压方向按照电流从高电位流向低电位的原则标注VT为负VP为正iDiD低低更低更低更低更低33iDiD34横坐标下移纵坐标左移35全用反向36P沟道增强型MOSFET-3ViD假设流入漏极可变电阻区

vGS

≤VT

vDS≥（vGS－VT）37饱和区

vGS

≤VT

vDS≤（vGS－VT）P沟道增强型MOSFET-3VKP是P沟道器件的电导参数385.1.4沟道长度调制效应饱和区的曲线并不是平的实际问题：饱和区的iD曲线随着vDS增大而略有增大与沟道长度有关引入沟道长度调制参数λ修正后L的单位为

m-沟道长度表示iD仍受vDS的控制395.1.4沟道长度调制效应曲线应该是一个直线上式表示一个什么曲线？对确定的FET应该是一常数vDS控制iD的特性分析：405.1.4沟道长度调制效应当不考虑沟道调制效应时，

＝0，曲线是平坦的。

沟道越长，曲线越平曲线和vDS轴的交点应该和输出曲线是什么关系？部分重合放大倍数变小Kn小415.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型考虑沟道调制效应时1.开启电压VT

（增强型参数）2.夹断电压VP

（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS

（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，

＝0，rds→∞

饱和区曲线的斜率

425.1.5MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数表示栅源电压对漏源电流的控制能力-放大能力转移特性上工作点的斜率单位：mS（毫西），

S（微西）单位vGS产生的iD大小435.1.5MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数考虑到则其中等同于BJT的gm，与交流β作用类似与vGS或iD成正比445.1.5MOSFET的主要参数三、极限参数1.最大漏极电流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源电压V（BR）DS

4.最大栅源电压V（BR）GS

455.2MOSFET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*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路46同是三端放大器件，有类似的图解特性MOSFET放大电路的分析方法：放大电路设计和分析方法与BJT一致合理的静态工作点Q微变等效电路求AV、Ri、Ro图解法本章是对三端放大器件分析方法的复习总结475.2.1MOSFET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）共源极放大电路直流通路485.2.1MOSFET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）须满足VGS>VT

，否则工作在截止区由于Ig=0，故：组态判断同BJT是否：要求出ID和VDS只能试探是否：495.2.1MOSFET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，则说明假设错误再假设工作在可变电阻区即输出回路方程50特性与BJT类似求解方法也类似饱和区可变电阻区输出回路方程51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，52N沟道增强型MOS管电路静态工作点的计算：1.假设MOS管电路工作在饱和区：则：2.使用饱和区的电压-电流关系曲线分析静态工作点：如果：确实满足，电路工作在饱和区如果：不满足3.再使用可变电阻区的电压-电流关系曲线分析静态工作点：电路应该满足工作在可变电阻区则：535.2.1MOSFET放大电路（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54解：设MOS管工作于饱和区，则带入已知条件：求出：流过Rg1、Rg2的电流是ID的1/10则：I155得取标准阻值：验证是否在饱和区：满足56R的作用与BJT的Re作用相同：很多电路为了获得较大的源极电阻常用电流源代替：负电源的作用是补偿射极电阻或源极电阻上占用的压降：保证放大输出的动态范围电流源具有较大的内阻，向电路提供有源负载负反馈-保证ID电流的稳定。575.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I电流源偏置VS＝VG－VGS=－

VGS（饱和区）是否满足：求出：VGS58解：vi=0vg=0栅极无电流设FET管工作与饱和区有：求VGSQ，VDSQ，Rd59满足故假设成立，电路工作在饱和区中由于求完电路参数，一定要判断工作区域！605.2.1MOSFET放大电路2.图解分析工作在饱和区VDD足够大RD的作用？没有RD会怎么样？VD＝VDD=VDS输出是定值加RD输出随ID变化而变RD将ID的变化转换成VDS的变化-即输出61由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同设该放大系统工作在饱和区直流负载方程：62由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同设该放大系统工作在饱和区直流负载方程：635.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（肯定工作在饱和区）（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，高次项会增加新的频率分量交流和直流量分开由于有输入与输出量的关系式，可以此法求动态关系645.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型

=0时高频小信号模型65同样也可以用双端口的方法推导66解：先求静态工作点：确认工作于饱和区67由于gm小FET管的Av小共源极电路是反相放大负的放大倍数683.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）s带源极电阻电路分析693.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）s703.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）s（除掉vgs）放大倍数在输入电阻上的分压71723.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）共漏极电路分析733.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）共漏注意共漏极时vGS的位置共漏同共集源极跟随器电压增益小于1近似等于1743.小信号模型分析（2）放大电路分析!757677787980818283*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路本小节不作教学要求，有兴趣者自学end845.3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855.3.1JFET的结构和工作原理1.结构#

符号中的箭头方向表示什么？栅极正向偏置时栅极电流方向862.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP

（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。

vGS继续减小，沟道继续变窄。vGS0V-1V-2V-3VVP872.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDS

iD

g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS

夹断区延长

沟道电阻

iD基本不变

882.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDS

iD

g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS

夹断区延长

沟道电阻

iD基本不变

892.工作原理（以N沟道JFET为例）③

vGS和vDS同时作用时当VP<vGS<0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS

，

iD的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS

=VP90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。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

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。915.3.2JFET的特性曲线及参数2.