電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)第五章

場(chǎng)效應(yīng)管BJT是一種電流控制器件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡(jiǎn)稱FET）是一種電壓控制器件(vGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。P溝道耗盡型（D型）P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型（E型）N溝道N溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類：5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長(zhǎng)度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱MOSFET。分為：

增強(qiáng)型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道1.N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)（4個(gè)電極）漏極d，源極s，柵極g，襯底b。符號(hào)MOSFET結(jié)構(gòu)動(dòng)畫演示5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理當(dāng)vDS=0且vGS＞0V時(shí)→g、b間存在縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥，留下帶負(fù)電的離子→形成耗盡層。當(dāng)vGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。

再增加vGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道（反型層、感生溝道），如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流iD。①柵源電壓vGS的控制作用注意：由于有SiO2絕緣層，故柵極電流為0。定義：

開(kāi)啟電壓（VT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵—源電壓VGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

vGS＜VT

，管子截止，vGS＞VT

，管子導(dǎo)通。vGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓vDS作用下，漏極電流ID越大。5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理②漏源電壓vDS對(duì)漏極電流id的控制作用當(dāng)vGS＞VT，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。（設(shè)VT=2V，vGS=4V）

（a）vDS=0時(shí)，iD=0。（b）vDS↑→iD↑；同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。（c）當(dāng)vDS增加到使vGD＝vGS－vDS＝VT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。（d）vDS再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長(zhǎng)，vDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，iD基本不變。2.工作原理MOSFET結(jié)構(gòu)動(dòng)畫演示3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程

四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)(預(yù)夾斷前)vGS>VT,

vDS<(vGS-VT)。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）vGS>VT,vDS>(vGS-VT)

。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）vGS<VT。

（d）擊穿區(qū)。3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流特點(diǎn)：當(dāng)vGS=0時(shí)，就有溝道，加入vDS，就有iD。當(dāng)vGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。當(dāng)vGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)vGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。夾斷電壓（VP）:溝道剛剛消失所需的柵源電壓vGS。5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，曲線是平坦的。

修正后5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.開(kāi)啟電壓VT（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓VP（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS，當(dāng)vDS>Vp時(shí)的漏極電流（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS，在漏源之間短路時(shí)測(cè)得（109Ω～1015Ω）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，rds→∞

說(shuō)明vDS了對(duì)iD的影響。是輸出特性某一點(diǎn)上切線斜率的倒數(shù)。

5.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)反映了uGS對(duì)iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西(mS)。相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜率。是表征FET放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析3.小信號(hào)模型分析5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足VGS>VT，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）書上128頁(yè)例題5.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動(dòng)態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng)當(dāng)，vgs<<2(VGSQ-VT)時(shí)，5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型0時(shí)高頻小信號(hào)模型3.小信號(hào)模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析（例5.2.5）s3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)N溝道JFETP溝道JFET漏極源極柵極結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)動(dòng)畫演示2.工作原理（以N溝道為例）正常工作條件（N溝道）：柵—源之間加負(fù)向電壓（vGS<0），以保證耗盡層承受反向電壓。漏—源之間加正向電壓（vDS>0

）,以形成漏極電流iD。場(chǎng)效應(yīng)管通過(guò)柵—源電壓vGS和漏—源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，從而實(shí)現(xiàn)其放大（控制）的功能。5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理s5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理NgduGS工作原理：當(dāng)vDS=0（d、s短路）時(shí)，vGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用PPsvDS=0且vGS=0，耗盡層很窄，導(dǎo)電溝道很寬。|vGS|增大時(shí)，耗盡層加寬，溝道變窄，溝道電阻增大。|vGS|增大到某一數(shù)值時(shí)，耗盡層閉合，溝道消失，溝道電阻趨于無(wú)窮大，稱此時(shí)vGS的值為夾斷電壓UGS(off)。5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理NgduGSsuDS當(dāng)vGS為某一固定值（VT~0

）時(shí)，vDS對(duì)漏極電流iD的影響。PPvGS為某一固定值（VT~0

），存在由vGS所確定的一定寬度的溝道。若vDS=0，此時(shí)由于d—s間電壓為零，溝道中的載流子不會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，故電流iD=0。若vDS>0，則有電流iD從漏極流向源極，此時(shí)溝道中各點(diǎn)與柵極間的電壓不等（從源極到漏極逐漸增大），耗盡層寬度不一（溝道上窄下寬，呈楔型）。NgduGSsuDSPP由于柵—漏電壓vGD=vGS-vDS，所以的當(dāng)vDS從零逐漸增大時(shí)，vGD逐漸減小，靠近漏極一側(cè)的導(dǎo)電溝道必將隨之變窄。但只要柵—漏間不出現(xiàn)夾斷區(qū)域，溝道電阻仍取決于柵—源電壓（vGS），故電流iD將隨vDS的變化近似線性變化。一旦vDS的增大使vGD＝VT，則漏極一邊的耗盡層就會(huì)出現(xiàn)夾斷區(qū)，稱vGD＝VT為預(yù)夾斷。5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理NgduGSsuDSPP預(yù)夾斷后，若vDS繼續(xù)增大，vGD<VT，耗盡層閉合部分將沿溝道方向延伸，夾斷區(qū)加長(zhǎng)。

一方面，自由電子從源極向漏極定向移動(dòng)所受阻力加大（從夾斷區(qū)窄縫高速通過(guò)），從而導(dǎo)致iD減小；另一方面，隨著vDS的增大，d—s間的電場(chǎng)增強(qiáng)，使iD增大。二者變化趨勢(shì)相互抵消，在預(yù)夾斷后，vDS增大，iD近似不變，即iD僅僅取決于vGS，表現(xiàn)出iD的恒流特性。當(dāng)vGD<VT時(shí)，vGS對(duì)漏極電流iD的控制。在vGD=vGS-vDS<VT，即vDS>vGS-VT的情況下，當(dāng)vDS為一常量時(shí)，對(duì)應(yīng)于確定的vGS，就有確定的iD。此時(shí)通過(guò)改變vGS就可以控制iD的大小，這就是場(chǎng)效應(yīng)管的控制作用。場(chǎng)效應(yīng)管控制作用體現(xiàn)在漏極電流受柵—源電壓的控制，故場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制器件，體現(xiàn)其控制作用的參數(shù)為gm（低頻跨導(dǎo)）。NgdvGSsvDSPP結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理動(dòng)畫演示5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理小結(jié)：在vGD=vGS

-vDS>VT的情況下，即當(dāng)vDS<vGS

-VT(即g－d間未出現(xiàn)夾斷)時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的vGS，d－s間等效為不同阻值的電阻；當(dāng)vDS使vGD=VT時(shí)，d－s間出現(xiàn)預(yù)夾斷；當(dāng)vDS使vGD<VT時(shí)，iD幾乎僅僅決定于vGS，而與vDS無(wú)關(guān)。此時(shí)可以把iD近似看成vGS控制的電流源。5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場(chǎng)效應(yīng)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(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)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(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性輸出特性曲線：輸出特性曲線描述了當(dāng)柵－源電壓vGS為常量時(shí)，漏極電流iD與漏－源電壓vDS之間的函數(shù)關(guān)系（一簇曲線）。場(chǎng)效應(yīng)管的四個(gè)工作區(qū)：可變電阻區(qū)：在預(yù)夾斷