模电第四章

N沟道
P沟道
（耗尽型）
P沟道
4.1 金属-氧化物-半导体 （MOS）场效应管
• • • • • 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 N沟道增强型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET 沟道长度调制等几种效应 MOSFET的主要参数
4.1.1 N沟道增强型MOSFET
VT 称为开启电压
（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDS iD 沟道电位梯度 靠近漏极d处的电位升高 电场强度减小 沟道变薄 整个沟道呈楔形分布
当vDS增加到使vGD=VT 时， 在紧靠漏极处出现预夹断。
在预夹断处：vDS=vGS- VT
预夹断后，vDS 夹断区延长 沟道电阻 iD基本不变
4.2.1 MOSFET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
VGS
Rg2 Rg1 Rg2
VDD
须满足VGS > VT ，否则工作在截 止区 假设工作在饱和区，即VDS
I D Kn (VGS VT )2
VDS VDD I D Rd (VGS VT )
衬底未与源极并接时，衬底与源极间的偏压vBS将影响实际的开 启（夹断）电压和转移特性。
为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏，要求：
N沟道: vBS 0 P沟道: vBS 0
通常，N沟道器件的衬底接电路的最低电位，P沟道器件的
衬底接电路的最高电位。
3. 温度效应
VTN和电导常数Kn随温度升高而下降，且Kn受温度的 影响大于VTN受温度的影响。
（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。
以上分析可知
沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以场效应管也称 为单极型三极管。 MOSFET的栅极是绝缘的，所以iG0，输入电阻很高。
MOSFET是电压控制电流器件（VCCS），iD受vGS控制。
一、直流参数 ① 开启电压VGS(th) (或VT) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于 开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 ② 夹断电压VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时, 漏极电流为零。 ③ 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极 电流。
Oxide
沟道
增强型 :当VGS=0时，不存在导电沟道 N沟道、P
耗尽型：当VGS=0时，存在导电沟道 N沟道、P沟道
2. 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， 也无电流产生。 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。 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
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。
② 可变电阻区
vDS≤（vGS－VT）
rdso
dvDS diD

vGS 常 数
1 2K n ( vGS VT )
rdso是一个受vGS控制的可变电阻 式中Kn为电导常数,与场效应管的沟道长度,和 宽度等参数有关,单位为mA/ V2。
Av g R vo m d vi 1 gm R
s
Ri Rg1 || Rg2
Ro Rd
vo vo vi Ri Avs Av vs vi vs Ri Rs
4.5 共漏极和共栅极放大电路
• 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路 • 4.5.2 共栅极放大电路 4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总 结和比较
只有当vGS>VTN时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。
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MOSFET的输入电阻比BJT高得多？
3. 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
i D f (v DS ) vGS const.
解：例5.2.2的直流分析已 求得：I DQ 0.5mA VGSQ 2V
VDSQ 4.75V
s
gm 2 K n (VGSQ VT ) 2 0.5 ( 2 1)mS 1mS
vo g m vgs Rd
vi vgs ( g m vgs )R vgs (1 g m R)
实际上饱和区的曲线并不是平坦的
vGS 2 I ( 1 ) (1 vDS ) i K ( v V ) ( 1 v ) 修正后 D DO n GS T DS VT 0 .1 1 V L的单位为m L
2
当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。
2. 衬底调制效应（体效应）
验证是否满足 VDS
(VGS VT )
再假设工作在可变电 阻区 即 VDS (VGS VT )
I D 2Kn ( vGS VT ) vDS VDS VDD I D Rd
如果不满足，则说明假设错误
例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， VDD=5V， VT=1V， Kn 0.2mA / V 2 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源 电压VDSQ 。 解： VGSQ
③ 饱和区
（恒流区又称放大区）
vGS >VT ，且vDS≥（vGS－VT）
Hale Waihona Puke V-I 特性：iD Kn ( vGS VT )2
2 K nVT (
I DO (
vGS 1) 2 VT
vGS 1) 2 VT
2 I DO KnVT 是vGS＝2VT时的iD
（2）转移特性
i D f (vGS ) vDS const.
vGS iD I DO ( 1) 2 （N沟道增强型） VT
4.1.3 P沟道MOSFET
# 衬底是什么类型的半导体材料？
# 哪个符号是增强型的？ # 在增强型的P沟道MOSFET 中，vGS应加什么极性的电压才 能工作在饱和区（线性放大区）？
4.1.4 沟道长度调制等几种效应
1. 沟道长度调制效应
• • • • • • • • • •
4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管 4.2 MOSFET基本共源极放大电路 4.3 图解分析法 4.4 小信号模型分析法 4.5 共漏极和共栅极放大电路 4.6 集成电路单级MOSFET放大电路 4.7 多级放大电路 4.8 结型场效应管（JFET）及其放大电路 *4.9 砷化镓金属-半导体场效应管 4.10 各种FET的特性及使用注意事项
电压增益
vi vgs vo vgs gm vgs ( Rs || rds ) vgs [1 gm ( Rs || rds )]
vo Rs
Rg2
vo gmvgs ( Rs || rds )
gmvgs ( Rs || rds ) vo Av vi vgs [1 gm ( Rs || rds )]
④ 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对 于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于 绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109～1015Ω。 二、交流参数 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特 性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。
静态值 （直流）
动态值 （交流）
非线 性失 真项
当vgs<< 2(VGSQ- VT )时，
iD I DQ gm vgs IDQ id
0时
iD I DQ gm vgs I DQ id
id g m vgs
式中gm=2Kn(VGS－VT)
高频小信号模型
（2）放大电路分析（例5.2.5）
场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电 的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半 导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作 为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。
场效应管的分类：
增强型 MOSFET (IGFET) 绝缘栅型 JFET 结型
N沟道
P沟道
FET 场效应管
耗尽型 N沟道
iD Kn ( vGS VT )2 Kn (VGSQ vgs VT )2 Kn [(VGSQ VT ) vgs ]2
2 Kn (VGSQ VT )2 2Kn (VGSQ VT )vgs Kn vgs 2 I DQ g m vgs Kn vgs
需验证是否工作在饱和区
2. 动态分析
小信号等效电路 根据静态工作点可求得 gm gm 2Kn (VGSQ VTN )
Cb ＋ Rsi ＋ vs －
Rsi ＋ Rg1‖Rg2 vs － Ri
VDD Rg1 g T d B s vi －
g ＋ vgs－ s ＋ vi － d gmvgs Rs rds
4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路
1. 静态分析
设MOS管工作于饱和区
I DQ Kn (VGSQ VTN )2
VGSQ Rg2 Rg1 Rg2 VDD I DQ Rs
Rsi ＋ vs － vi － Rg2 Cb ＋ s Rs vo Rg1 g T VDD d B
VDSQ VDD I DQ Rs