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Chapter 4 场效应管放大电路

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第4章场效应管放大电路 (2)-PPT课件

第4章场效应管放大电路 (2)-PPT课件

耗尽型
P沟道
主要内容：
概述 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 绝缘栅场效应管（MOSFET） MOSFET放大电路 结型场效应管 砷化镓金属－－半导体场效应管 各种放大器件电路性能比较
4.1
绝缘栅场效应管
4.1.1 增强型绝缘栅场效应管 1) N沟道增强型管的结构 栅极和其 它电极及硅 片之间是绝 缘的，称绝 缘栅型场效 应管。
3）特性曲线 UDS 开启电压UGS(th） ID/mA 恒流区
UGS= 4V UGS= 3V UGS= 2V
可变电阻区
UGS/
无导电 有导电沟道 沟道 转移特性曲线
UGS= 1V
0 截止区 漏极特性曲线
UDS/V
4) P沟道增强型
结构
SiO2绝缘层Βιβλιοθήκη 符号： DP+
N型衬底
P+
G
加电压才形成 P型导电沟道 S
ED
2）N沟道增强型管的工作原理
ED 当UGS UGS(th）后，场 – + 效应管才形成导电沟道， EG S 开始导通，若漏–源之间 G D – ID + 加上一定的电压UDS，则 UGS 有漏极电流ID产生。在 一定的UDS下漏极电流ID N+ N+ 的大小与栅源电压UGS有 P型硅衬底 关。所以，场效应管是 一种电压控制电流的器 N型导电沟道 件。 在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变 为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。
工作原理小结 1. 正常放大时各极电压极性： G、S间加正偏压
VGG
－ S +G ＋ D － S
D、S间外加偏压
VDD
衬底
S
2. 工作原理: (P200)

第四章场效应管放大电路

第四章场效应管放大电路
一、N沟道MOS管的直流参数 (1).开启电压VT:
N沟道MOS管，在VGS＜VT时，不能形成导电 沟道，管子处于截止状态；只有当VGS≥VT时，才有沟 道形成。 VT——开启电压。
这种在VGS=0时没有沟道，只有VGS≥VT时才能 形成感生导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。
第四章 场效应管放大电路
→形成由栅极指向P型
衬底的纵向电场
+
→将靠近栅极下方的空 穴向下排斥
-
→形成耗尽层。
第四章 场效应管放大电路
现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V 当vGS增大时→耗尽层增宽，并且该大电场会 把衬底的自由电子吸引到
耗尽层与绝缘层之间，形
成一N型薄层，构成漏-源 之间的导电沟道，称为反
N沟道耗尽型 MOS管 与 N沟 道 增 强型MOS管基本相 似。
区别：耗尽型
MOS 管 在 vGS=0 时 ，漏－源极间已有 导电沟道产生；
增强型MOS管要
在vGS≥VT时才出现 导电沟道。
5.1.5
第四章 场效应管放大电路
N沟道耗尽型MOSFET 在栅极下方的SiO2 层中掺入了大量的金 属正离子。所以当 vGS=0 时 ， 这 些 正 离 子 已经感应出反型层， 形成了沟道。
夹断区
VT
2VT
第四章 场效应管放大电路
①截止区: vGS<vT
无导电沟道,iD=0,管子处于截止区.
②可变电阻区: vDS< vGS-vT
iD

K n [2(GS
T
)DS

2 DS
]
Kn

nCox
2
(W L
)
单位：mA V 2

第4章 场效应管及其基本放大电路

第4章 场效应管及其基本放大电路

恒流区
IDSS/V
G
D S
+
-
VGG
+
V uGS
VDD
-
O
UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 夹断区 -7 U P 8V
击穿区
uDS /V
特性曲线测试电路
漏极特性
漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。
各类场效应管的符号和特性曲线 种类 结型 耗 尽 N 沟道 型 结型 耗 尽 P 沟道 型 绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型 符号
S
S
VGG
(c) UGS ＜UGS(off)
(b) UGS(off) < UGS < 0
（2） 漏源电压uDS 对漏极电流iD的控制作用
uGD ＝ uGS －uDS (a)
P+
D
iD
(b)
D
iD
G
N
P+
VDD
+ P+ GP N
P+
VDD
S iS uGS = 0，uGD > UGS（Off) ，iD 较大。
uDS /V
O
UT 2UT
uGS /V
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子， 这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反 型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 UGS = 0，UDS > 0，产生 较大的漏极电流； UGS < 0，绝缘层中正离 子感应的负电荷减少，导电 沟道变窄，iD 减小； UGS = UP , 感应电荷被 “耗尽”，iD 0。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。

第4章 (72) 场效应管放大电路

第4章 (72) 场效应管放大电路
本质：提高输入电阻 本质：
2
场效应管分类： 场效应管分类：
JFET 耗尽型） 结型 （耗尽型） FET 场效应管 MOSFET (IGFET) 绝缘栅型 增强型 N沟道 沟道 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道
3
耗尽型
常用!因为导通电阻小， 常用 因为导通电阻小，且容易制造 因为导通电阻小
13
2. vDS对iD的影响
这里要讨论的关系是： 这里要讨论的关系是：
vGS g
d
+
vDS
i D = f (v DS ) v
GS
= 常数
s
14
在漏源间加电压v 为便于讨论，先令v 在漏源间加电压 DS ，为便于讨论，先令 GS =0 由于vGS=0，所以导电沟道最宽。 由于 ，所以导电沟道最宽。 导电沟道最宽 ①当vDS=0时， iD=0。 时 。
电阻比沟道电阻大很多，故 ①当vDS=0时， iD=0。 时 。 VDS增加时，其变化量几乎全 ↑→i ②vDS↑→ D↑ 部降在耗尽层上，在VGS 一定 靠近漏极处的耗尽层加宽， →靠近漏极处的耗尽层加宽， 时，使得沟道两端的电压基 沟道变窄， 沟道变窄，呈楔形分布 本不变。故iD趋于饱和。 ③当vDS↑，使vGD=vGS- vDS=- vDS =VP时，在靠漏极 点处夹断 在靠漏极A点处夹断 ——预夹断。 预夹断。 预夹断
梯形分布： 梯形分布：因为沟道中各 点与栅极间的电压不相等， 点与栅极间的电压不相等， 越靠近D极 反向电压越大。 越靠近 极，反向电压越大。 所以相应的耗尽层就越宽。 所以相应的耗尽层就越宽。 反之则反之。 反之则反之。
g
p+ p+
VDD

第四章_MOSFET及其放大电路

第四章_MOSFET及其放大电路

GSQ
)则
TN
i K V V K V V v D
(
)2 2
n
GSQ
TN
(
)
n
GSQ
TN
gs
=IDQ
i K V V v 2 d
(
)
n
GSQ
TN
gs
g 2K V V 令
(
)
m
n
GSQ
TN
则
i g v d
m gs
跨导也可以通过求微分得到:
g i
2K V V m
D
vV
const
GS
GS Q
vGS
VGG
S
•在栅极和衬底之间施加的电压VGB>0，
形成自上而下的电场，该电场随电压的增
N+
大而加强。
G
D
N+ N型沟道
• 在电场的作用下， P区中的多子（空穴） 向衬底下部移动，少子（电子）被吸引到 G极并在sio2表面积累。
P型衬底
B
•若增大VGS ，则电子积累得越多，直到感应的电子能在漏极和源极
之间形成可测电流（即VGS增加到足够大），此时N型导电沟道形成，
U GQ
U AQ
Rg1 Rg1 Rg2
VDD
USQ I DQ Rs
IDQ Kn (UGSQ UTN )2
U DSQ VDD I DQ (Rd Rs )
为什么加Rg3?其数值应大些小些？
二、场效应管工作状态分析
[分析指南] MOSFET电路的直流分析
求VGS，VGS>VTN?
是
否
假设工作在放大区 ID=Kn(VGS-VTN)2

场效应管放大电路

场效应管放大电路
电工电子教学部
2) uDS 对 iD的影响(uGS > UGS(th)) iD DS 间的电位差使沟道呈 楔形， uDS ，靠近漏极 D 端的沟道厚度变薄。
预夹断(UGD = UGS(th))：漏极附近反型层消失。 预夹断发生之前： uDS iD。 预夹断发生之后：uDS iD 不变。
电工电子教学部
列出静态时的关系式 UGS = – RSID
+UDD RD d
U GS 2 I D I DSS (1 ) U GS(OFF)
g
T + UGS _ s RS IS _
)
2
电工电子教学部
三、P 沟道 MOSFET
P沟道增强型 结构 SiO2绝缘层 符号： D
P+ N型衬底
P+
G
S
加电压才形成 P型导电沟道
增强型场效应管只有当UGS UGS(th）时才形成导电沟道。
电工电子教学部
P 沟道耗尽型管
SiO2绝缘层中 掺有负离子 符号：
D
G
予埋了P型 导电沟道 S
3. 转移特性曲线
i D f ( uGS ) UiD /mA NhomakorabeaDS
4 UDS = 10 V 3 2 UGS (th) 开启电压 1 uGS /V 2 4 6 O
当 uGS > UGS(th) 时：
iD I DO (
uGS U GS (th)
1)2
uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电 压称为开启电压UGS(th）。
c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引 ED – + 到表面，形成N型导电沟道，将D-S连 EG 接起来。 uGS 越大沟道越厚。 S G D – + UG UGS大到一定值才开启，若 S 漏–源之间加上一定的电压 N+ N+ UDS，则有漏极电流ID产生。 P型硅衬底 在一定的UDS下漏极电流ID的 大小与栅源电压UGS有关。 N型导电沟道 所以，场效应管是一种电压 控制电流的器件。

第四章 场效应管放大电路

第四章 场效应管放大电路

Rg1 150k
RD D
10k C2
C1
G
10k
Rg3
S
RL
vi Rg2
1M R 10k
CS
50k
一、静态分析
求：VDS和 ID
I DQ

I
DO

vGS VT
12
vo
VG

Rg 2 Rg1 Rg2
VDD
5V
VS IDQR
设VT 、 IDO已知
VDS V DD I DQ ( R RD )
vGS vDS
S GD
导电沟道相当于 电阻将D-S连接 起来，vGS越大 沟道越宽，此电 阻越小。
iD
N
N
P
vGS vDS S GD
N
N
P
当vDS不太大时， 导电沟道在两 个N区间是均 匀的。
当vDS较大时， 靠近D区的导 电沟道变窄。
VGS VDS
S
G D iD
vDS增加，vGD=VT 时， 靠近D端的沟道被夹断， 称为予夹断。
2、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
耗尽型的MOS管vGS=0时就有导电沟道，加反向电 压才能夹断。
iD
转移特性曲线
vGS
夹断电压
VP 0
iD
输出特性曲线
0 夹断区
VGS>0
VGS=0
VGS<0
VP v DS
有时，为了使符号简化，可将N沟道和P沟道的MOS管 的符号分别画成下面的形式：
d
d
g
g
s
N沟道增强型
电路符号
D(Drain)
G (Gate)
衬底 substrate

第四章：场效应管及放大电路讲解

第四章：场效应管及放大电路讲解

iD
vGS 0 VT
(1-34)
模拟电子
输出特性曲线 iD
vGS>0
0
v DS
(1-35)
耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
模拟电子
耗尽型的MOS管VGS=0时就有导电沟道， 加反向电压才能夹断。
iD
转移特性曲线
vGS VT 0
(1-36)
模拟电子
输出特性曲线 iD
vGS>0
vGS=0
vGS<0
P NN
P沟道结型场效应管 D
G
S源极
S
(1-6)
模拟电子
（2）工作原理（以P沟道为例） VDS=0时
PN结反偏，
VGS越大则耗
D
尽区越宽，导 电沟道越窄。G
P
VDS
NN
VGS S
(1-7)
VGS越大耗尽区越 宽，沟道越窄， 电阻越大。
G
但 尽区当宽VG度S较有V小限DS时=，0，时模存耗拟电子 在导电沟道。DS间 D 相当于线性电阻。
Vgs
-
gmVgs
s
+
Rg2
R RL Vo -
(1-56)
中频电压增益
模拟电子
Vo gmVgs (R // RL )
Vgs Vi Vo
Vo gm (Vi Vo )( R // RL )
A Vm

Vo Vi

gm (R // RL ) 1 gm (R // RL )


Rg2 47k
Rg1 2M
Rd 30k
d
g
Rg3
s
10M

R
2k

第4章 场效应管放大电路

第4章 场效应管放大电路
退出
淮阴师范学院物理与电子电气工程学院
4.1 场效应管
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 结型场效应管 场效应管的主要参数 各种场效应管的特性比较 场效应管使用注意事项
退出
淮阴师范学院物理与电子电气工程学院
4.1 场效应管
场效应管的分类：
N沟道
P沟道
FET 场效应管
耗尽型 N沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
P沟道
增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在
退出
淮阴师范学院物理与电子电气工程学院
4.1.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管
金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)，是由金属(铝)、 氧化物(二氧化硅)及半导体材料构成的，简称MOS管，又称绝 缘栅场效应管 (IGFET)。 1. N沟道增强型MOS场效应管 (1) 结构 漏极 d 源极 S 栅极 g
1）输出特性 ② 可变电阻区 图4.1.3中的虚线为预夹断 临界点轨迹，它是各条曲 线上 vDS vGS VT 的点连 接而成的。 在此区域内，漏、源之间 可看成受vGS控制的可变电阻， 故称为可变电阻区。
图4.1.3 N沟道增强型MOS管的输出特性
退出
淮阴师范学院物理与电子电气工程学院
1）输出特性 ② 可变电阻区
•耗尽型MOS管特性曲线分为截止区、可变电阻区 和饱和区。 •N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为负值。 •N沟道增强型MOS管的开启电压VT为正值。
退出
淮阴师范学院物理与电子电气工程学院
耗尽型MOSFET的电流方程：
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反型层刚形成时，对应的栅 源电压vGS称为开启电压，用 VT表示。
2021/3/4
14
漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用 vGS ≥ VT，加vDS，形成iD，且iD与vDS基本成正比。 因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。 vDS增大至vGD = vGS− vDS< VT，沟道被预夹断（漏 端），管子进入饱和区。
结论：JFET是电压控制电流器件。
2021/3/4
7
3、JFET的特性曲线
（1）输出特性曲线。 以vGS为参变量， iD与vDS的关系
iD f（vDS）vGS常数
在恒流区或饱和区， iD受vGS的控制，用作 放大电路的工作区域， 也称线性放大区。
iD D+
G
+
vDS
vGS −
S
−
2021/3/4
结型场效应管（JFET） 绝缘栅型场效应管（IGFET）
2021/3/4
4
4.1.1结型场效应三极管（JFET）
1、结型场效应三极管的结构
在N型半导体硅片两侧扩 散高浓度的P型区，形成两 个PN结夹着一个N型沟道的 结构。
两个P区连在一起构成栅 极，N型硅的一端是漏极， 另一端是源极。
2021/3/4
2021/3/4
6
2、vDS对iD的影响
vGS=0， vDS增加沿沟道将 产生一电位梯度，导电 沟道呈楔型， iD与 vDS近 似成正比。
vGS
D G P+
N
P+
iD
vDS
当两楔型相遇时，称预夹断。
S
此时
vGD= vGS− vDS= VP iD= IDSS—饱和漏极电流
预夹断后，随vDS增加，夹 断长度略有增加， iD几乎 不随vDS增加而上升。
1
场效应管放大电路
Chapter 4
主要内容
场效应晶体管 场效应管放大电路
2021/3/4
2
§4.1 场效应晶体管
结型场效应三极管（JFET） 绝缘栅场效应三极管（MOSFET） 场效应三极管的参数
讨论的问题： 场效应管是通过什么方式来控 制漏极电流的？
2021/3/4
3
场效应管（Fiedl Effect Transistor——FET）是利 用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般 半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特 点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达 1015Ω）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、 抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大 规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中 得到广泛应用。 按结构，场效应管可分两大类：
8
输出特性曲线
（2）转移特性曲线
iD
以vDS为参变量， iD与vGS的关系，描 述了输入电压对输出电流的控制作用。
+G
D
+ vDS
iD
f（vG
）
S vDS
常
数
vGS −
S
−
2021/3/4
9
转移特性曲线
实验表明：在VP≤v GS≤0范围(恒流区)内，iD与vGS间 呈平方律关系，即
iD
IDS（S 1
2021/3/4
15
vDS对iD的控制
沟道预夹断后， vDS继续 增大，夹断点向源极方向移 动， iD略有增大。 vGS变化时，vGS < VT，没有导电 沟道， iD≈0； vGS =VT时开始形成导电沟道； vGS ≥ VT时，导电沟道变宽。从 而改变vGS 的大小有效地控制沟 道电阻的大小。
5
2、JFET的工作原理
现以N沟道为例说明其工作原理。
1、vGS对iD的控制 ——控制导电沟道宽窄
vDS=0，| vGS | 增大， 导电沟道变窄，沟道电阻 增大。
vGS
D G P+
N
P+
iD
vDS
沟道完全夹断时vGS=VP （VGS（off）），称夹断电
S
压。
若vDS为一固定值，则iD将受vGS的控制。
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全 相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性 不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型 一样。
2021/3/4
2021/3/4
12
1、N沟道增强型MOSFET
1）结构 N沟道增强型
源极S
MOSFET在P型半导
体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后
用光刻工艺扩散两
个高掺杂的N型区。
2021/3/4
13
衬底B
栅极G
漏极D
结构
2）工作原理 栅源电压vGS的控制作用 ——形成导电沟道
正电压vGS产生的反型层把 漏-源连接起来，形成宽度均 匀的导电N沟道，自由电子是 沟道内的主要载流子。
管子在饱和区工作（vGS ≥ VT）时的转移特性曲线 可用以下近似公式表示：
iD
I
（vG S DO VT
1）2
式中IDO为vGS =2 VT时的iD值。
2021/3/4
18
2、N沟道耗尽型MOSFET
N沟道耗尽MOSFET的 结构和符号如图所示
在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正 离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反 型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电 压，就有漏极电流存在。
） vGS 2
VP
为什么不讨论JFET的输 入特性？
栅-源间的PN结是反偏 的，故输入端的电流近似 为零。
2021/3/4
10
4.1.2 绝缘栅场效应三极管
N沟道增强型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET P沟道耗尽型MOSFET 各类FET的伏安特性曲线
2021/3/4
11
绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅 作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层 ，又称 金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。 MOSFET可分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
2021/3/4
19
当vGS＞0时，将使iD进一步增加。vGS＜0时，随着 vGS的减小iD逐渐减小，直至iD=0。对应iD=0的vGS称为夹 断电压，用符号vGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道 耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图所示。
2021/3/4
20
转移特性曲线
3、P沟道耗尽型MOSFET
——输入电压vGS 对输出电流iD的控制
2021/3/4
16
3）特性曲线
iD f（vDS）vGS常数
——输出特性
2021/3/4
17
iD
f（vG
）
S vDS
A/V ）的大小反映 了栅源电压对漏极电流的控制作用，称为跨导。
定义：
gm
I D VG S
Q
(单位mS)