第三章場效應管及其基本電路（1）了解場效應管內部工作原理及性能特點。（2）掌握場效應管的外部特性、主要參數。（3）了解場效應管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)參數（）的分析方法。11/26/20231模擬電子技術場效應晶體管（場效應管）利用多數載流子的漂移運動形成電流。

場效應管FET(FieldEffectTransistor)結型場效應管JFET絕緣柵場效應管IGFET雙極型晶體管主要是利用基區(qū)非平衡少數載流子的擴散運動形成電流。11/26/20232模擬電子技術JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對耗盡層厚度的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現對漏極電流（輸出電流）的控制。IGFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對半導體表面感生電荷量的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現對漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入電壓輸出電流11/26/20233模擬電子技術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場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)分類：11/26/20234模擬電子技術3―1結型場效應管3―1―1結型場效應管的結構及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3―1結型場效應管的結構示意圖及其表示符號Gate柵極Source源極Drain漏極箭頭方向表示柵源間PN結若加正向偏置電壓時柵極電流的實際流動方向ID實際流向結型場效應三極管的結構.avi11/26/20235模擬電子技術P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖3―1結型場效應管的結構示意圖及其表示符號ID實際流向11/26/20236模擬電子技術圖3-1結型場效應管的結構示意圖和符號11/26/20237模擬電子技術3.1.2工作原理圖4-2當UDS=0時UGS對導電溝道的影響示意1.UGS對導電溝道的影響11/26/20238模擬電子技術NDGSPP(a)UGS=0，溝道最寬圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖11/26/20239模擬電子技術(b)UGS負壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖橫向電場作用：︱UGS︱↑→PN結耗盡層寬度↑→溝道寬度↓11/26/202310模擬電子技術(c)UGS負壓進一步增大，溝道夾斷圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓11/26/202311模擬電子技術圖3―3JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線(a)轉移特性曲線；(b)輸出特性曲線11/26/202312模擬電子技術2.ID與UDS、UGS之間的關系圖3-3UDS對導電溝道和ID的影響11/26/202313模擬電子技術3―1―2結型場效應管的特性曲線一、轉移特性曲線式中：IDSS——飽和電流，表示uGS=0時的iD值；

UGSoff——夾斷電壓，表示uGS=UGSoff時iD為零。恒流區(qū)中：uGS≤0，iD≥011/26/202314模擬電子技術2.轉移特性曲線圖4-5N溝道結型場效應管的轉移特性曲線11/26/202315模擬電子技術根據工作情況,輸出特性可劃分為4個區(qū)域,即:可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。11/26/202316模擬電子技術二、輸出特性曲線

1.可變電阻區(qū)iD的大小同時受uGS

和uDS的控制。柵、漏間電壓uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）柵、源間電壓uGS>UGSoff預夾斷前所對應的區(qū)域。uGS≤0，uDS≥011/26/202317模擬電子技術圖3―3JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線(a)轉移特性曲線；(b)輸出特性曲線11/26/202318模擬電子技術

當uDS很小時，uDS對溝道的影響可以忽略，溝道的寬度及相應的電阻值僅受uGS的控制。輸出特性可近似為一組直線，此時，JFET可看成一個受uGS控制的可變線性電阻器（稱為JFET的輸出電阻）；當uDS較大時，uDS對溝道的影響就不能忽略，致使輸出特性曲線呈彎曲狀。11/26/202319模擬電子技術2.恒流區(qū)iD的大小幾乎不受uDS的控制。預夾斷后所對應的區(qū)域。柵、漏間電壓uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）柵、源間電壓uGS>UGSoff11/26/202320模擬電子技術(1)當UGSoff<uGS<0時，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關系，uGS對iD的控制能力很強。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大極小。11/26/202321模擬電子技術4.擊穿區(qū)隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。當UGS<UGSoff時，溝道被全部夾斷，iD=0，故此區(qū)為截止區(qū)。3.截止區(qū)11/26/202322模擬電子技術圖3―4uDS對導電溝道的影響GD(2V)S(0V)-4-5-6-7.5設11/26/202323模擬電子技術綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，

所以場效應管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制預夾斷前iD與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？

JFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。11/26/202324模擬電子技術3―2絕緣柵場效應管(IGFET)柵極與溝道之間隔了一層很薄的絕緣體，其阻抗比JFET的反偏PN結的阻抗更大。功耗低，集成度高。絕緣體一般為二氧化硅（SiO2），這種IGFET稱為金屬——氧化物——半導體場效應管，用符號MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。一、簡介11/26/202325模擬電子技術圖3―5絕緣柵(金屬-氧化物-半導體)場效應管結構示意圖(a)立體圖；(b)剖面圖11/26/202326模擬電子技術MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分類11/26/202327模擬電子技術3―2―1絕緣柵場效應管的結構3―2―2N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、導電溝道的形成及工作原理11/26/202328模擬電子技術圖3―6N溝道增強型MOS場效應管的溝道形成及符號11/26/202329模擬電子技術二、轉移特性(1)當uGS<UGSth時，iD=0。(2)當uGS>UGSth時，iD>0，二者符合平方律關系。iD≥011/26/202330模擬電子技術式中：UGSth——開啟電壓(或閾值電壓)；

μn——溝道電子運動的遷移率；

Cox——單位面積柵極電容；

W——溝道寬度；

L——溝道長度(見圖3―5(a))；

W/L——MOS管的寬長比。在MOS集成電路設計中，寬長比是一個極為重要的參數。11/26/202331模擬電子技術iD0(a).轉移特征曲線:11/26/202332模擬電子技術三、輸出特性(1)截止區(qū)uDS≥0uGS<UGSth導電溝道未形成，iD=0。(2)可變電阻區(qū)預夾斷前所對應的區(qū)域。uGS>UGSthuGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）11/26/202333模擬電子技術圖3―8輸出特性

(a)輸出特性；(b)厄爾利電壓11/26/202334模擬電子技術(3)恒流區(qū)·曲線間隔均勻，uGS對iD控制能力強。·uDS對iD的控制能力弱，曲線平坦。預夾斷后所對應的區(qū)域。uGS>UGSthuGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）11/26/202335模擬電子技術GD(1V)S(0V)432.51.5設11/26/202336模擬電子技術3―2―3N溝道耗盡型

MOSFET

(DepletionNMOSFET)式中：ID0表示uGS=0時所對應的漏極電流。11/26/202337模擬電子技術圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號11/26/202338模擬電子技術圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號11/26/202339模擬電子技術圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(c)DGSB11/26/202340模擬電子技術3―2―4各種類型MOS管的符號及特性對比DGSDGSN溝道P溝道結型FET圖3―11各種場效應管的符號對比11/26/202341模擬電子技術圖3―11各種場效應管的符號對比11/26/202342模擬電子技術iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth結型P溝耗盡型P溝增強型P溝MOS耗盡型N溝增強型N溝MOS結型N溝圖3―12各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比(a)轉移特性N溝道：P溝道：11/26/202343模擬電子技術圖3―12各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比uDSiD0線性可變電阻區(qū)01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9結型P溝耗盡型MOSP溝－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789結型N溝耗盡型增強型MOSN溝UGS/VUGS/V增強型(b)輸出特性N溝道：P溝道：11/26/202344模擬電子技術3―3場效應管的參數和小信號模型

3―3―1場效應管的主要參數一、直流參數1.結型場效應管和耗盡型MOSFET的主要參數

(1)飽和漏極電流IDSS(ID0)：

(2)夾斷電壓UGSoff：當柵源電壓uGS=UGSoff時，iD=0。IDSS指的是對應uGS=0時的漏極電流。

2.增強型MOSFET的主要參數對增強型MOSFET來說，主要參數有開啟電壓UGSth。11/26/202345模擬電子技術3.輸入電阻RGS對結型場效應管，RGS在108~1012Ω之間。對MOS管，RGS在1010~1015Ω之間。通常認為RGS→∞。

二、極限參數(1)柵源擊穿電壓U(BR)GSO。(2)漏源擊穿電壓U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS11/26/202346模擬電子技術DGSDGSN溝道P溝道結型FET圖3―11各種場效應管的符號對比11/26/202347模擬電子技術三、交流參數1跨導gm對JFET和耗盡型MOS管，電流方程為那么，對應工作點Q的gm為式中，IDQ為直流工作點電流。直流工作點電流IDQ↑，gm↑

。11/26/202348模擬電子技術而對增強型MOSFET，其電流方程為那么，對應工作點Q的gm為直流工作點電流IDQ↑，gm↑

。11/26/202349模擬電子技術2.輸出電阻rds

恒流區(qū)的rds可以用下式計算：其中，UA為厄爾利電壓。DSGB11/26/202350模擬電子技術DGSDGSN溝道P溝道結型FET圖3―11各種場效應管的符號對比11/26/202351模擬電子技術圖3―8輸出特性uDSiD0UGSUA(厄爾利電壓)(b)厄爾利電壓11/26/202352模擬電子技術若輸入為正弦量，上式可改寫為通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，則3―3―2場效應管的低頻小信號模型11/26/202353模擬電子技術rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖3―13場效應管低頻小信號簡化模型11/26/202354模擬電子技術3―4場效應管放大器3―4―1場效應管偏置電路偏置方式自偏壓方式混合偏置方式確定直流工作點方法圖解法解析法

適宜JFET、DMOSFET適宜JFET、DMOSFET、EMOSFET11/26/202355模擬電子技術圖3―14場效應管偏置方式

(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRG2(b)RG1(分壓式偏置)RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGV(a)11/26/202356模擬電子技術一、圖解法————柵源回路直流負載線方程1.對于自偏壓方式2.對于混合偏置方式————柵源回路直流負載線方程RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRG2(b)RG1(分壓式偏置)11/26/202357模擬電子技術RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGV(a)————柵源回路直流負載線方程1.對于自偏壓方式圖解法iDuGS0(a)Q1Q2RS1-11/26/202358模擬電子技術2.對于混合偏置方式圖解法iDuGS0(b)Q1Q2Q2Q3Q3RS1-RG1+RG2RG2UDDRDUDDRS(自偏壓電阻)uiRG2RG1(分壓式偏置)————柵源回路直流負載線方程11/26/202359模擬電子技術解析法已知電流方程及柵源直流負載線方程，聯立求解即可求得工作點.例如對于自偏壓方式如：11/26/202360模擬電子技術圖3―16共源放大器電路及其低頻小信號等效電路(a)電路；(b)低頻小信號等效電路

3―4―2場效應管放大器分析一、共源放大器11/26/202361模擬電子技術圖3―16共源放大器電路及其低頻小信號等效電路(a)電路；(b)低頻小信號等效電路11/26/202362模擬電子技術式中，，且一般滿足RD‖RL<<rds。所以，共源放大器的放大倍數Au為若gm=5mA/V，則Au=－50。11/26/202363模擬電子技術輸入電阻：輸出電阻：11/26/202364模擬電子技術例場效應管放大器電路如圖3―18(a)所示，已知工作點的gm=5mA/V，試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝2mA/V11/26/202365模擬電子技術ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝2mA/V圖3―18帶電流負反饋的放大電路(a)電路；(b)等效電路；(c)簡化等效電路(a)11/26/202366模擬電子技術RS1rdsDSUo.RDRL+-+-Ui.GRG3RG2RG1gmUgs.輸出電壓故11/26/202367模擬電子技術1.放大倍數Au

式中：故所以11/26/202368模擬電子技術圖3―18帶電流負反饋的放大電路(a)電路；(b)等效電路；(c)簡化等效電路11/26/202369模擬電子技術C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V圖3―19共漏電路及其等效電路

(a)電路；(b)等效電路二、共漏放大器11/26/202370模擬電子技術圖3―19共漏電路及其等效電路

(a)電路；(b)等效電路(b)＋－Uo.RLRSSDId.gmUgs.＝gm[Ui－Id(RSRL)]..｜｜11/26/202371模擬電子技術1.放大倍數Au

式中：故所以C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V11/26/202372模擬電子技術圖3―20計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路

2.輸出電阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V11/26/202373模擬電子技術圖3―20計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路11/26/202374模擬電子技術由圖可見式中：所以，輸出電阻為11/26/202375模擬電子技術

3.輸入電阻C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUo.RG31M＋－＋－Ui.gm＝2mA/V11/26/202376模擬電子技術11/26/202377模擬電子技術新型半導體MOS器件研究

11/26/202378模擬電子技術1958年集成電路發(fā)明以來,為了提高電子集成系統(tǒng)的性能，降低成本(1)集成電路的特征尺寸不斷縮小，制作工藝的加工精度不斷提高(2)同時硅片的面積不斷增大(3)40多年來，集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，晶體管尺寸按0.7的因子減小。(4)集成電路芯片的特征尺寸已經從1978年的10μm發(fā)展到現在的0.13—0.08μm；硅片的直徑尺寸也逐漸由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸發(fā)展到12英寸。更新的預測表明,到2016年,MOS的溝道長度將縮小到20nm以下.11/26/202379模擬電子技術MOS器件縮小到亞100nm面臨許多挑戰(zhàn),有很多問題需要解決:(1)SCE(短溝道效應);(2)DIBL(漏場感應勢壘降低)效應;(3)氧化層的可靠性;(對器件的靜態(tài)功耗產生影響);(4)量子效應;(使柵電容減小);(5)雜質數漲落;(雜質數統(tǒng)計起伏對器件性能影響).11/26/202380模擬電子技術SourceDrainTunnelingThermionicemission圖7電子傳輸方向能帶示意圖Fig.7Potentialdiagraminthedirectionofelectrontransport11/26/202381模擬電子技術高K柵介質MOS器件(1)隨著半導體器件特征尺寸的縮小，SiO2柵氧化層厚度也相應地減薄。這時電子的隧穿電流更趨明顯,傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質已經無法滿足半導體器件的要求;(2)尋找高性能的、與半導體制備工藝兼容的高介電常數的絕緣柵介質替代傳統(tǒng)的二氧化硅介質，已成為新型MOS器件研究領域的前沿研究課題.11/2