模擬電子技術 第三章2014

1、第三章場效應管及其放大電路3.1 場效應管（Field Effect Transistor簡稱簡稱FET）場效應管利用輸入回路的電場效應（電壓）來控制輸出回路電流的一種半導體器件。主要特點： 輸入電壓控制輸出電流 輸入內阻高（1071012歐姆） 僅靠多數載流子導電，即單極型晶體管。優(yōu)點： 易于集成、功耗小、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、輸入內阻高FET分類：分類： 絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管結型場效應管結型場效應管增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道3.1 絕緣柵場效應三極管 絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管 ( Metal Oxide Semicon

2、ductor FET)，簡稱簡稱MOS管。管。分為：分為： 增強型增強型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道 一、一、N溝道增強型溝道增強型MOS管管1 1. .結構結構 4個電極：漏極個電極：漏極D (drain)，源極，源極S (source)，柵極，柵極G (gate)和和 襯底襯底B (base)。符號：符號：-N+NP襯底sgdb源極柵極漏極襯底金屬金屬 SiO2 當當uGS0V時時縱向電場縱向電場將靠近柵極下方的空穴向下排將靠近柵極下方的空穴向下排斥，剩下不能移動的負離子區(qū)斥，剩下不能移動的負離子區(qū)耗盡層。耗盡層。2.2.工作原理工作原理 當當uGS=

3、0V時，漏源之間相當兩個背靠背的時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管，在二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。柵源電壓柵源電壓uGS的控制作用的控制作用-P襯底sgN+bdVDD二氧化硅+N-P襯底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid-s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid2.2.工作原理工作原理 再增加再增加uGS縱向電場縱向電場將將P區(qū)少子電子在電場的作用下區(qū)少子電子在電場的作用下聚集到聚集到P區(qū)表面，薄層的導電類區(qū)表面，薄層的導電類型由原來的型由原來的P型變成型變成N型（叫做型（叫

4、做反型層），且與兩個反型層），且與兩個N+區(qū)相通區(qū)相通形成導電溝道，如果此時加有形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，源區(qū)中的電子將沿漏源電壓，源區(qū)中的電子將沿著這個反型層漂移到漏區(qū)，就著這個反型層漂移到漏區(qū)，就可以形成漏極電流可以形成漏極電流id。這種由電子形成的溝道，稱為這種由電子形成的溝道，稱為N溝溝道道 定義：定義： 開啟電壓（開啟電壓（ UGS(th)）剛剛產生導電溝道所需剛剛產生導電溝道所需的柵源電壓的柵源電壓UGS。 N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UGS(th) ，管子截止，管子截止， uGS UGS(th) ，管子導通。，管子導通。 uGS 越

5、大，溝道越寬，在相同的漏源電壓越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作作用下，漏極電流用下，漏極電流ID越大。越大。 漏源電壓漏源電壓uDS對漏極電流對漏極電流id的控制作用的控制作用 當uGSUGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓uDS對漏極電流iD的影響。（設UGS(th) =2V， uGS=5V） （a）uDS=0時，時， iD=0。（b） uDS iD ； 由于由于iD流經溝道，形成流經溝道，形成自漏極到源極方向的電壓降自漏極到源極方向的電壓降，從而使溝道中各點與柵極，從而使溝道中各點與柵極間電壓不再相等，近源極一間電壓不再相等，近源極一端的電壓值最大，端的電壓值最大，近漏極

6、一近漏極一端的電壓值最小，端的電壓值最小，造成溝道造成溝道靠漏區(qū)變窄?？柯﹨^(qū)變窄。-s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid-二氧化硅NisdNVb+DDdVP襯底GGg 漏源電壓漏源電壓uDS對漏極電流對漏極電流id的控制作用的控制作用（c）當）當uDS增加到使增加到使uGD= UGS(th)（即（即uDS=uGS-uGS(th)）時時，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預夾斷預夾斷。-二氧化硅NisdNVb+DDdVP襯底GGg-GGbVd二氧化硅siNgDD+dP襯底VN+（d） uDS再增加，預夾斷區(qū)再增加，預夾斷區(qū)加長，加長， uDS增加的部分基本降落增加的部分基本降落在

7、隨之加長的夾斷溝道上，相在隨之加長的夾斷溝道上，相應產生自漏極指向夾斷點的電應產生自漏極指向夾斷點的電場。這個電場將自源區(qū)到達夾場。這個電場將自源區(qū)到達夾斷點的電子拉到漏極。而夾斷斷點的電子拉到漏極。而夾斷點到源極之間的電壓為定值，點到源極之間的電壓為定值，所以產生的電流所以產生的電流 iD基本不變?；静蛔?。（3 3）特性曲線）特性曲線 三個區(qū)：三個區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。 輸出特性曲線輸出特性曲線i(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流區(qū)（預夾斷）恒流區(qū)（預夾斷 后）。后）。 （c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。）夾斷區(qū)（截

8、止區(qū)）。 可變電可變電阻區(qū)阻區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)夾斷區(qū)當當uDSuGS-uGS(th)產生預夾斷后產生預夾斷后 ，iD幾乎不因幾乎不因uDS的增大而變的增大而變化，管子進入恒流區(qū)，化，管子進入恒流區(qū)，iD僅由僅由uGS決定。對于每一個決定。對于每一個uGS就有就有一個確定的一個確定的iD.沒有電流流過柵極，輸入電流為零，沒有輸入特性曲線沒有電流流過柵極，輸入電流為零，沒有輸入特性曲線 轉移特性曲線轉移特性曲線： iD=f(uGS) uDS=const 可根據輸出特性曲線作出轉可根據輸出特性曲線作出轉移特性曲線移特性曲線。例：作例：作uDS=10V的一條的一條轉移特性曲線：轉移特性曲線：i(mA

9、)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS(th)小結小結增強型增強型MOS管象雙極型三極管一樣有一個開啟電壓管象雙極型三極管一樣有一個開啟電壓UGS(th) ，（相當于三極管（相當于三極管BE結開啟電壓）。結開啟電壓）。當當 |UGS| 低于低于 |UGS(th) | 時，漏源之間無溝道，時，漏源之間無溝道，ID=0。|UGS|高于高于 |UGS(th) | 時時，形成反型層，漏源之間加電壓后，形成反型層，漏源之間加電壓后,()DSGSGS thuuu 當當 時時，工工作作在在可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)()DSGSGS

10、 thuuu 當當 時時，工工作作在在恒恒流流區(qū)區(qū)，此此時時DthGSGSDOthGSGSDODiUuIUuIi時的時的是是其中其中)(2)(2 1 結型結型場效應管的工作原理類似場效應管的工作原理類似耗盡型耗盡型MOS管管 一個重要參數一個重要參數跨導跨導gm： gm= iD/ uGS uDS=const (單位單位mS) gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 在轉移特性曲線上，在轉移特性曲線上， gm為的曲線的斜率。為的曲線的斜率。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSi

11、DGSuiD3.2 場效應管的主要參數場效應管的主要參數3.2 場效應管的主要參數場效應管的主要參數2）開啟電壓UGS(th) 在UDS為一常量時，使iD0所需的最小|uGS|值。是增強型管的參數。3）夾斷電壓UGS(off) 在UDS為一常量時, iD為規(guī)定的微小電流時的uGS。是結型場效應管和耗盡型MOS管的參數。 DSDmGSUigu 常常數數（恒恒流流區(qū)區(qū)）()()()1221DGSmDODDOGSGS thGS thGS thiugIi IuUUU2()1 GSDDOGS thuiIU其中 其中 3.3、N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET特點：特點： 當當uGS=0時，就有溝道，時，

12、就有溝道，加入加入uDS，就有就有iD。 當當uGS0時，溝道增寬，時，溝道增寬，iD進一步增加。進一步增加。 當當uGS0時，溝道變窄，時，溝道變窄，iD減小。減小。 在柵極下方的在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。 定義：定義： 夾斷電壓（夾斷電壓（ UGS(off)）溝道剛剛消失所需的柵源電壓溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。-g漏極s+N襯底P襯底源極d柵極bN+ +-sbgdN溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的的特性曲線特性曲線輸出特性

13、曲線輸出特性曲線轉移特性曲線轉移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i= -1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)= -2VGSuUGS(off)P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET P溝道溝道MOSFET的工作原理與的工作原理與N溝道溝道 MOSFET完全相同，只不過導電的載流完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有同雙極型三極管有NPN型和型和PNP型一樣。型一樣。N溝道：P溝道：雙極型和場效應型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較【例1.4.2】試分析

14、uI為0V、8V和10V時，uO分別為多少？解：uGSuI0V，管子處于夾斷狀態(tài)，iD0，uOuDSVDDiDRD=15V。uGSuI8V,假設管子處于恒流區(qū)狀態(tài)， iD1mA， uOuDSVDDiDRD=10V；可以看到（ uGS ， uDS ）（8，10）仍在恒流區(qū) 。（需要反向復核，即恒流和可變電阻區(qū)是由uGS和 uDS共同確定，需先假設一種狀態(tài)，再驗證）uGSuI10V,假設工作在恒流區(qū)， iD2.2mA 。則uOuDSVDDiDRD=4V .而 uGS10V時的預夾斷電壓uDS uGSUGS(th)=10-4=6V， （ uGS ， uDS ）（10，6）說明應在可變電阻區(qū)。2.2

15、以以P溝道增強型溝道增強型MOS管為例：管為例：IDGRDSBUDSUGS輸輸入入輸輸出出共源組態(tài)：共源組態(tài)：輸入：輸入：G輸出：輸出：DGRSDBUDSUGS輸輸入入輸輸出出共漏組態(tài)：共漏組態(tài)：輸入：輸入：G輸出：輸出：SGRDSBUDS輸輸入入輸輸出出共柵組態(tài)：共柵組態(tài)：輸入：輸入：S輸出：輸出：DRS2.7 場效應管放大電路一、基本共源放大電路雙電源靜態(tài)工作點包括：UGSQ ,IDQ , UDSQ利用場效應管的電流方程，求出IDQ。 2thGSGGDODQ1UVIIDSQDDDQdUVIR2.7.2 場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置2.7.3 場效應管放大電路的動態(tài)分析以N溝道增強型MOS管為例。DSGSDuufi,DSGSuuuudidii dGSDSUDSDUGSDD令mUGSDguiDSdsUDSDruiGS1gm、rds近似為常數用有效值（帶方向的交流值