模电第四章

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.
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
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
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。
vGS iD I DO ( 1) 2 VT
# 为什么不谈输入特性？
4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
1. 结构和工作原理简述（N沟道）
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
2. V-I 特性曲线及大信号特性方程
iD I DSS (1
vGS 2 ) VP
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）
③ 饱和区
（恒流区又称放大区）
vGS >VT ，且vDS≥（vGS－VT）
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.
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 )]
1. 结构（N沟道）
通常 W > L
L ：沟道长度
W ：沟道宽度
tox ：绝缘层厚度
符号
剖面图 # 符号中的箭头方向表示什么？
D(Drain)为漏极，相当c；
G(Gate)为栅极，相当b；
S(Source)为源极，相当e。
金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管( Metal Semiconductor FET)。分为
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
三、极限参数
1. 最大漏极电流IDM
2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源电压V（BR）DS
4. 最大栅源电压V（BR）GS
4.2 MOSFET基本共源极放大电路
• 4.2.1 基本共源极放大电路的组成 • 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 • 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法
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） 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。
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
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
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
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
• • • • • • • • • •
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
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
当温度升高时，对于给定的VGS，总的效果是漏极电 流减小。
4. 击穿效应
（1）漏衬击穿
外加的漏源电压过高，将导致漏极到衬底
的PN结击穿。
（Hale Waihona Puke Baidu）栅极击穿
若绝缘层厚度tox= 50 纳米时，只要约30V的 栅极电压就可将绝缘层击穿，若取安全系数为 3，则最大栅极安全电压只有10V。
4.1.5 MOSFET的主要参数
Rg2 VDD 40 5V 2V Rg1 Rg2 60 40
假设工作在饱和区
I DQ Kn (VGS VT )2 (0.2) (2 1)2 mA 0.2mA
VDSQ VDD I D Rd (5 0.2 15)V 2V
满足 VDS (VGS VT )
假设成立，结果即为所求。
（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路
VGS VG VS
[ Rg2 Rg1 Rg2 (VDD VSS ) VSS ]
( I D R VSS )
饱和区
I D Kn (VGS VT )2
VDS (VDD VSS ) I D ( Rd R)
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)
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。
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)。
需要验证是否满足
VDS (VGS VT )
（3）电流源偏置共源极放大电路 静态时，vI＝0，VG ＝0，ID ＝I
I D Kn (VGS VT )2 （饱和区）
VS ＝ VG － VGS
电流源偏置
2. 图解分析
由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同
3. 小信号模型分析 （1）模型
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）
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
4.2.1 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。