1、場效應(yīng)管放大器第1頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1 場效應(yīng)管1. 特點:(1)導(dǎo)電能力由電壓控制的半導(dǎo)體器件。(2) 僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱單極型晶體管。(3) 體積小、耗電少、壽命長等優(yōu)點，(4) 輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點。(5)廣泛用于大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。第2頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)2.場效應(yīng)管分類：第3頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35

2、分，星期二N基底 ：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G柵極S源極D漏極結(jié)構(gòu):導(dǎo)電溝道PN結(jié)5.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管:第4頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二P 溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSN溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號：第5頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二二、工作原理（以N溝道為例）當 UDS= 0 V時：UGS* 若加入UGS 0,PN結(jié)反偏，耗盡層變厚* 若UGS = 0,溝道較寬，溝道電阻小溝道變窄，溝道電阻增大* 若UGS = VP （夾斷電壓）時溝道夾斷，溝道電阻很大|UGS|越大,則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。但當|UGS|較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在

3、導(dǎo)電溝道。DS間相當于線性電阻。溝道夾斷時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS 0V，漏極電流ID=0A。加入UGS使溝道變窄，該類型效應(yīng)管稱為耗盡型第6頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二漏源電壓VDS對iD的影響 當VDS繼續(xù)增加時，預(yù)夾斷區(qū)向源極方向伸長。* 在柵源間加電壓VGS，漏源間加電壓VDS。由于漏源間有一電位梯度VDS上端（漏端）VGD=VGS-VDS 即 |VGD|=|VGS|+|VDS|下端（源端）VGD=VGS使溝道呈楔形耗盡層上下量端受的反偏電壓不同溝道夾斷前，iD 與 vDS 近似呈線性關(guān)系。 當VDS增加到使VGD=

4、VGS-VDS =VP 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點。 隨VDS增大，這種不均勻性越明顯。電阻增大，使VDS增加不能使漏極也增大，漏極電流 iD 趨于飽和。第7頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二4.1.2 伏安特性曲線及參數(shù)特點: (1)當vGS 為定值時, 管子的漏源間呈線性電阻，且其阻值受 vGS 控制 ，（ iD 是 vDS 的線性函數(shù)）。 （2）管壓降vDS 很小。用途：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件： 源端與漏端溝道都不夾斷（1）可變電阻區(qū)1、輸出特性曲線：第8頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二（動畫2-6）用途:

5、可做放大器和恒流源。（2）恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）條件: (1)源端溝道未夾斷(2)漏端溝道予夾斷 (2) 恒流性：輸出電流 iD 基本上不受輸出電壓 vDS 的影響。特點: (1) 受控性： 輸入電壓 vGS 控制輸出電流為飽和漏極電流IDSS第9頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二（3）夾斷區(qū)： 用途：做無觸點的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個溝道都夾斷 （4）擊穿區(qū) 當漏源電壓增大到 時，漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，使iD 劇增的區(qū)域。其值一般為（20 50）V之間。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越負，對應(yīng)的VP就越小。管子不能在擊穿區(qū)工作。特點：第10頁

6、，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2、轉(zhuǎn)移特性曲線輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制第11頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二結(jié)型場效應(yīng)管的特性小結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型第12頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管 絕緣柵型場效應(yīng)管( Metal Oxide Semiconductor ) MOSFET N溝道 P溝道 增強型N溝道 P溝道 耗盡型增強型 (N溝道、P溝道), VGS=0 時無導(dǎo)電溝道，iD=0耗盡型 (N溝道、P溝道)，VGS=0 時已有導(dǎo)電溝道。 類型及其

7、符號:第13頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.1 N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管NMOS漏極D金屬電極1、結(jié)構(gòu)柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底 高摻雜N區(qū) 金屬 柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。 由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達1014 。 絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。第14頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的工作原理（1）. 柵源電壓VGS的控制作用 當VGS=0V時，因為漏源之間被兩個背靠背的 PN結(jié)隔離，

8、因此，即使在D、S之間加上電壓, 在D、S間也不可能形成電流。 當 0VGSVT (開啟電壓)時， 通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時，使兩個N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止狀態(tài)。第15頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二N溝道增強型場效應(yīng)管的工作原理的N型溝道。把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時，若在漏源間加電壓 VDS，就能產(chǎn)生漏極電流 I D，即管子開啟。 VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越

9、小，在同樣 VDS 電壓作用下， I D 越大。這樣，就實現(xiàn)了輸入電壓 VGS 對輸出電流 I D 的控制。 當VGSVT時，襯底中的電子進一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)I D第16頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2 .漏源電壓VDS對溝道導(dǎo)電能力的影響A當VGSVT且固定為某值的情況下：加正電壓VDS，則形成漏極電流ID當ID從D S流過溝道時，沿途會產(chǎn)生壓降，進而導(dǎo)致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。S端電壓最大(為VGS )，感生的溝道最寬；D端電壓最小（

10、為VGD=VGS-VDS）感生的溝道窄；溝道呈錐形分布。當VGD=VT，即VGS-VDS=VT時，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點。第17頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二 當VDS為0或較小時，VGDVT，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。 當VDS增加到使VGD=VT時，預(yù)夾斷。 當VDS增加到使VGDVT時，預(yù)夾斷點向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。電阻增大，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，ID基本不隨VDS增加而變化。第18頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二MOSFET的特性曲線1.漏極輸出特性曲線V-I特性表達式不做要求第1

11、9頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2.轉(zhuǎn)移特性曲線 VGS對ID的控制特性 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率 gm 的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 其量綱為mA/V，稱gm為跨導(dǎo)。 ID=f(VGS)VDS=常數(shù) gm=ID/VGSQ （mS) 第20頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二增強型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型第21頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二耗盡型MOSFET N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的

12、襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。 因此，使用時無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會有漏極電流。當VGS0 時，將使ID進一步增加。VGS0時，隨著VGS 的減小ID 逐漸減小，直至 ID=0。對應(yīng)ID=0 的 VGS 值為夾斷電壓 VP 。第22頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型第23頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號一、 場效應(yīng)三極管的參數(shù) 1. 開啟電壓VT 開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管

13、不能導(dǎo)通。 2. 夾斷電壓VP 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VP時,漏極 電流為零。 3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應(yīng)三極管, 當VGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。第24頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二4. 輸入電阻RGS 結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時RGS約大于107；絕緣柵型場效應(yīng)三極管, RGS約是1091015。 5. 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用， gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS (毫西門子)。 6.最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當。第25頁，共36頁，

14、2022年，5月20日，11點35分，星期二絕緣柵增強型N溝P溝絕緣柵耗盡型 N溝道P 溝道第26頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二場效應(yīng)管與晶體管的比較 電流控制 電壓控制 控制方式電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類 型 NPN和PNP N溝道和P溝道放大參數(shù) rce很高 rds很高 輸出電阻輸入電阻較低較高 雙極型三極管 單極型場效應(yīng)管熱穩(wěn)定性 差 好制造工藝 較復(fù)雜 簡單，成本低對應(yīng)電極 BEC GSD第27頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二耗盡型GSDGSD增強型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、

15、S之間加一定電壓才形成導(dǎo)電溝道在制造時就具有原始導(dǎo)電溝道第28頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二4.4 場效應(yīng)管放大電路4.4.1 直流偏置電路及靜態(tài)分析1、直流偏置電路建立適當?shù)撵o態(tài)工作點，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。(1) 自偏壓電路: 僅適用于耗盡型場效應(yīng)管，VGS=0 時，溝道已存在。加VDD后, VS=ID R ?？山⑵珘海荷鲜椒Q為偏壓公式第29頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二 及 VDS= VDDID(R+Rd ) 聯(lián)立可以解出VGS、ID和VDS。(2) 分壓式偏壓電路直流通道由：VG =VDD Rg2 / (Rg1+Rg2)及 V

16、S = IDRVGS= VGVS= VGIDR可得 偏壓公式 ：2、靜態(tài)工作點的確定：ID= IDSS1(VGS /VP)2由公式：偏壓公式： VGS = -ID R 或：VGS= VGVS= VGIDR第30頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二4.4.2 小信號模型分析法低頻模型高頻模型跨導(dǎo)漏極輸出電阻1. 小信號模型第31頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2.用小信號模型進行交流分析小信號等效電路（1）電壓放大倍數(shù)(2) 輸入電阻(3) 輸出電阻第32頁，共36頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、靜態(tài)分析USUGUDS=UDD- US =20-5=15V例4.4.2 源極輸出器第33頁，共36