模拟电子技术基础课件：第九讲 场效应管放大电路1

5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路 场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET).主要内容:(1)结型场效应管的结构及工作原理(2)金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理(3)场效应管放大电路的静态及动态性能分析 学习指导学习指导学习目标：学习目标：1.正确理解各种场效应管的工作原理 2.熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数 3.熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置 4.会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻 学习方法：学习方法：学习本章内容时，应特别注意使用比较和归纳的方法：1.与三极管及其放大电路进行比较（两种管子的结构、工作原理、外特性、主要参数、小信号模型等的比较；两种器件组成的放大电路的直流偏置电路及静态、动态分析方法的比较；共射与共源、共集与共漏等放大电路性能的比较）。2.不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各种场效应管之间的比较与归纳（工作原理、电压极性、主要参数的比较等）。概概 述述场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1.晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2.晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，因此称其为单极型器件。因此称其为单极型器件。3.晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104；场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管MOSFETP沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道，d、s间加电压时，也间加电压时，也无电流产生。无电流产生。当当00vGSGS V VT T 时时 在电场作用下产生导电沟道，在电场作用下产生导电沟道，d、s间间加电压后，将有电流产生。加电压后，将有电流产生。vGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布当当vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD=vGSGS-vDSDS =V VT T预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2.工作原理工作原理（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGSGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDSDS 曲线曲线。3.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)(vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。3.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)(vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT）)(DSDSTGSnD22vvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD)(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsovvdidr)(TGSnVK v21rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 3.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 DSTGSnD)(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 23.V-I 特性曲线及大信号特性方程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）输出特性及大信号特性方程 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGSGS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V-I I 特性：特性：3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDOD VIiv5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理结构和工作原理（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应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上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的单位为的单位为 m1V 1.0 L当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。修正后修正后5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数NMOSNMOS增强型增强型1.1.开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数）2.2.夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）3.3.饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1.1.输出电阻输出电阻r rdsds GSDDSdsVir vD12TGSnds1)(iVKr v当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，rdsds 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2.2.低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWK 2Coxnn其中其中5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1.1.最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2.2.最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3.3.最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4.4.最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 作业作业P249-5.1.1P249-5.1.3