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1、5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.3 结型场效应管（JFET） *5.4 砷化镓金属-半导体场效应管 5.5 各种放大器件电路性能比较 5.2 MOSFET放大电路 1 1 本章介绍除BJT之外另一种主要类型的三段放大器件：场 效应管（FET）。FET有两种主要类型：金属-氧化物-半 导体场效应管（MOSFET）和结型场效应管（JFET）。 2 2 P沟道 耗尽型 P沟道 P沟道 N沟道 增强型 N沟道 N沟道 （耗尽型） FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 (IGFET) 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电
2、压时，没有导电沟道 场效应管的分类： 3 3 5.1 金属-氧化物-半导体 （MOS）场效应管 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 5.1.5 MOSFET的主要参数 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 5.1.3 P沟道MOSFET 5.1.4 沟道长度调制效应 4 4 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. 结构（N沟道） L ：沟道长度W ：沟道宽度tox ：绝缘层厚度 通常 W L 5 5 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 剖面图 1. 结构（N沟道） 符号 6 6 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 2. 工作原理 （1）vGS对沟道的控制作用 当vGS0时 无导电沟道
3、， d、s间加电压时，也无 电流产生。 当0VT ）时 ， vDS ID 沟道电位梯度 整个沟道呈楔形分布 8 8 当vGS一定（vGS VT ）时， vDS ID 沟道电位梯度 当vDS增加到使vGD=VT 时，在 紧靠漏极处出现预夹断。 2. 工作原理 （2）vDS对沟道的控制作用 在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT 9 9 预夹断后，vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 2. 工作原理 （2）vDS对沟道的控制作用 1010 2. 工作原理 （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。 1111 3. V-
4、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 截止区 当vGSVT时，导电沟道尚 未形成，iD0，为截止工 作状态。 1212 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 可变电阻区 vDS（vGSVT） 由于vDS较小，可近似为 rdso是一个受vGS控制的可变电阻 1313 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 可变电阻区 n ：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧 化层单位面积电容 本征电导因子 其中 Kn为电导常数，单位：mA/V2 1414 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性
5、及大信号特性方程 饱和区 （恒流区又称放大区） vGS V T ，且vDS（vGSVT） 是vGS2VT时的iD V-I 特性： 1515 由于FET是电压控制器件，栅极输入端基本没有电流 ，因此跟BJT不一样，讨论它的输入特性是没有意义 的。 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （2）转移特性 所谓转移特性是在漏源电压vDS一定的条件下，栅源电 压vGS对漏极电流iD的控制特性，即 1616 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （2）转移特性 由输出特性 曲线得到 1717 也可以根据 (式5.1.6)直接画出。 由此可知，这是一条二次曲线，而BJT的输入特性，iC与 vBE是指数关
6、系，因此MOS管的转移特性比BJT的输入特性线 性要好。 1818 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构和工作原理（N沟道） 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，即使vGS=0时，由 于正离子的作用，也和增强型接入栅源电压使得vGSVT相 似，在P型衬底上感应出N型导电沟道。 1919 当vGS0时，沟道中感应出更多负电荷，沟道变宽，在vDS 作用下，iD将更大。因为栅极绝缘层的存在，并不会产生栅极 电流iG。 当vGS0时，沟道中负电荷变少，沟道变窄，则iD变小。到 vGS为负电压到达一定值的时候，沟道完全间断，即使有vDS， 也没有漏电流，此时为夹断电压（截止电压）Vp。 因此，
7、耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源电压下工作，而 且基本上无栅流。 2020 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 耗尽型MOS管特性曲线与增强型的类似，不同的是前者 夹断电压VP为负值，后者开启电压VT为正值。 2121 在饱和区内 当VGS=0，vDSvGS-VP时 ，由（式5.1.6） VT用VP取代 则5.1.6式改为 IDSS的物 理意义 2222 5.1.3 P沟道MOSFET 2323 5.1.4 沟道长度调制效应 实际上饱和区的曲线并 不是平坦的 实际MOS管在饱和区的输出特性曲线还应考虑vDS对沟道 长度L的调制作用，当vGS固定，v
8、DS增加时，iD会由所增加 。 输出特性的每根曲线都会向上倾 斜，因此用沟道长度调制参数 对输出特性的公式进行修正： 2424 5.1.4 沟道长度调制效应 L的单位为m 当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。 1/的物 理意义 2525 5.1.5 MOSFET的主要参数 一、直流参数 1. 开启电压VT （增强型参数） 2. 夹断电压VP （耗尽型参数） 3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数） 在转移特性上，就是vGS=0时的漏极电流。 4. 直流输入电阻RGS （1091015 ） 在漏源之间短路条件下，栅源之间加一定电 压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS 。 2626 NM
9、OS增强型 二、交流参数 1. 输出电阻rds 当不考虑沟道调制效应时，0，rds 输出电阻rds说明了vDS对iD的影响，是 输出特性某一点上切线斜率的倒数。 2727 5.1.5 MOSFET的主要参数 2. 低频互导gm 二、交流参数 考虑到 则 其中 2828 5.1.5 MOSFET的主要参数 三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM 管子正常工作时的漏极电流允许的上限值。 2. 最大耗散功率PDM FET的耗散功率PDM=vDSiD。这些功耗使得管子发热，所以 要限制它的耗散功率不能超过最大数值PDM。 3. 最大漏源电压V（BR）DS 指发生雪崩击穿，iD开始急剧上升时的vDS值。
10、 4. 最大栅源电压V（BR）GS 栅源之间反向电路急剧上升时的vGS值。 2929 5.2 MOSFET放大电路 5.2.1 MOSFET放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 图解分析 3. 小信号模型分析 3030 5.2.1 MOSFET放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 由FET组成的放大电路和BJT一样，要建立合适的静 态工作点。所不同的是，FET是电压控制器件，因此它 需要有合适的栅极-源极电压。 3131 5.2.1 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） 直流通路共源极放大电路 3232 5.2.1 MO
11、SFET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） 假设工作在饱和区，即 验证是否满足 如果不满足，则说明假设错误 须满足VGS VT ，否则工作在截止区 再假设工作在可变电阻区 即 3333 假设工作在饱和区 满足假设成立，结果即为所求。 解： 例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源 电压VDSQ 。 VDD=5V， VT=1V， 3434 5.2.1 MOSFET放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 （2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路 饱和区 需要验证是否满足 与BJT接入射极电阻类似，
12、在MOS管中接入源极电阻，具 有稳定静态工作点的作用。 3535 5.2.1 MOSFET放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 静态时，vI0，VG 0，ID I 电流源偏置 VS VG VGS （饱和区） 分析右图电流源提供偏置的NMOS 共源极放大电路的静态工作点 3636 5.2.1 MOSFET放大电路 2. 图解分析 图为共源极放大电路，VGGVT，使 得FET工作在饱和状态，VDD足够大。 Rd的作用是将漏极电流iD的变化转 换成vDS的变化，从而实现电压放大。 由于负载开路，交流负 载线与直流负载线相同 3737 5.2.1 MOSFET放大电路 2. 图解分析 首先令vi
13、=0，由vGS=VGG，找 到输出特性曲线上的iD，然后做 负载线vDS=VDD-iDRd，交点就是 静态工作点Q（IDQ，VDSQ）。 当vi0，vGS=VGS+vgs（vi），则 相应产生iD=IDQ+id和vDS=VDSQ+vds变 化量。通常vds远大于vgs（vi），从 而实现了电压的放大。 3838 5.2.1 MOSFET放大电路 3. 小信号模型分析 （1）模型FET工作在饱和区，将其看成一个双口网络 IDQ为静态工作点； gmvgs漏极信号电流与vgs成线性关系，为交流项； Knvgs2为非线性失真，信号产生的谐波项。 3939 第三项必须远小于第二项，才满足线性放大器的小信
14、号的条 件，即vgs2(VGSQ-VT)，（参考： ） 。 5.2.1 MOSFET放大电路 3. 小信号模型分析 4040 5.2.1 MOSFET放大电路 3. 小信号模型分析 （1）低频小信号模型 考虑到NMOS管的iG=0，栅极-源极间的电阻很大，可以 看成开路，而由id=gmvgs，则得到如图的低频小信号模型 。 4141 5.2.1 MOSFET放大电路 3. 小信号模型分析 （1）低频小信号模型 =0时 0时FET的输出电阻 rDS为有限值时的低频小信 号模型。 0时 =0时FET的输出电阻 rDS为无效大时的低频小信 号模型。 4242 5.2.1 MOSFET放大电路 3.
15、小信号模型分析 由于MOS管的源极与衬底相连，因此两者之间无电容。 图中Cgd，Cgs，Cgb分别是栅漏电容，栅源电容和栅极-衬底 电容，Cds是漏源电容。 （1）高频小信号模型 4343 3. 小信号模型分析 解：例5.2.2的直流分析已求得： （2）放大电路分析（例5.2.5） s 求电路模型参数gm 画出小信号模型电路 4444 5.1.5 MOSFET的主要参数 2. 低频互导gm 二、交流参数 考虑到 则 其中 返回 4545 3. 小信号模型分析 （2）放大电路分析（例5.2.5） s 求电路的Avs、Av、Ri、Ro。 3. 小信号模型分析 （2）放大电路分析（例5.2.6） 共
16、漏 静态分析，画小信号模型电路 4747 求放大电路增益、信号源增益 。 3. 小信号模型分析 （2）放大电路分析 4848 求输入电阻 求输出电阻 4949 MOSFET三种基本放大电路的比较 参看表5.2.1 5.3 结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法 5050 5.3.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在一块N型半导体材料两边扩散 高浓度的两边扩散高浓度的P型区 ，形成两个PN结。两边P+型区引出 两个电极，分别称为源极S和漏极d 。两个PN结中间的N型区域称为导 电沟道。因此称为N型沟道JFET。 5151 5.3.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 左图是它的符号，箭头的方向表示 栅结正向偏置，栅极电流的方向是 由P指向N，从符号可以识别d、s之 间是N沟道
