场效应管及其基本放大电路(精)

UGS增大耗尽层加 厚。
+
ID
Id
G+
PN 结
P
N
PN 结
RDS
N
Ugs -
Is
IS=ID
1）PN结不加反 向电压（Ugs)或 加的电压不足以 使沟道闭合时。 沟道导通，电阻 很小，并且阻值 随沟道的截面积 减少而增大。称 可变电阻区 ； ID=UDs / RDs UGS=0：ID=IDSS
电路图
等效图
第3章 场效应管及其基本放大电路
3.1结形场效应管
3.2砷化镓金属-半导体场效应管 3.3金属-氧化物-半导体场效应管 3.4场效应管放大电路 3.5各种放大器件电路性能比较
3.1 场效应晶体管(FET）
• 分类和结构： • 结型场效应晶体管JFET • 绝缘栅型场效应晶体管IGFET
源极 门极 漏极 S G D G门极
Sect
3.3.1增强型MOS场效应管
N沟道增强型MOS场效应管结构
源极S →发射极E 栅极G→基极B 漏极D→集电极C
电极—金属 绝缘层—氧化物 基体—半导体 因此称之为MOS管
衬底B
Sect
当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论 UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0. 开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道, 这种类型的管子称为增强型MOS管 UDS 当UGS较小时，虽然在P型衬底 表面形成一层耗尽层，但负离 UGS ID 子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表 +++ + + + + + 面形成一层电子层，形成N型 - - - 导电沟道，在UDS的作用下形 反型层 成ID。 当UGS>UT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作 用下，ID将进一步增加
UGS(V)
Sect
N沟道增强型MOS场效应管特性曲线
输出特性曲线 2. 恒流区： 该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变
3.击穿区：
UDS 增加到某一值时， ID(mA) ID开始剧增而出现击穿。
UGS=6V
当UDS 增加到某一临界
值时，ID开始剧增时UDS 称为漏源击穿电压。
UGS=4V UGS=5V
id mA
IDSS UDS=UGS-VP 可变电阻区
VP
5 4 3 2 1
ma ID
放 大 区
UGS=0V -1V -2.0V
(v)
-4 -3 -2 -1 0 N型JFET的转移曲线
ugs
0
击 穿 区
（V） UDS
-4V
N型JFET的输出特性曲线
截止区 IB≤0
3.3 MOSFET
增强型MOSFET 耗尽型MOSFET
耗尽层完全闭合， 沟道夹断，电子过 不去
+ I =0 D
RD
栅极电压UGS大于等 夹断电压UP时，ID=0 相当一个很大的电阻
VDD
G+ UGS
PN N结
PN 结
P
N
-
IS=ID
3)、JFET的主要参数
1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS 2）饱和漏极电流IDSS; VGS=0，时的ID 3)、 电压控制电流系数gm=
2）恒流工作（电压控制电流源） PN结加反向电压（Ugs) 使沟道 RD 微闭合时电流ID与UDS无关， + 耗尽层闭 ID 称恒流区。 ugs 2 合时 UGS=VP ID=IDSS（1 ）
D G+ UGS
PN N结
P
vP
PN 结
VDD
G
N
+ I D
RD VDD
S
-
IS=ID
电路图
等效图
3）截止工作
P
B 基底
增强型P沟道示意
PMOS（E）
B 基底
PMOS（D）
耗尽型P沟道示意
(1)工作状态示意图
UDS
UGS
ID
++ ++ -- -P 衬底
ID
耗尽区 D B
S
N
G
D
N
UGS
G
UDS
S
B
(2) IGFET 工作原理(NMOS)
• • • • 耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。 增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压 VT ，（相当于三极管死区电压）。 当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0 当UGS高于VT时，漏源之间加电压后。 ；I 为2V 时的I ID=ID0（ UGS -1）2 DO T D
4）交流输出电阻 rds=
uds
id ∂ id
Uds=常数
vgs
∂uGS
id
vgs=常数
5)极限参数：
V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。 PDM 最大漏极允许功耗 ，与三极管类似。
4）特性曲线：
• 与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。 称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：
Sect
3.3、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）
分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和 PMOS两种：
1) NMOS （Metal Oxidized Semiconductor)
源极 门极 漏极 S G D
源极 门极 漏极 S G D
+
Sio2
G
D
N沟道
+
Sio2
G
G B G
N
P 衬底
N
gm
•
∂ iD
VT
VT ∂uGS 当UDS小于等于UGS-VT时，进入可变电阻区
=
2ID0(UGS-1) VT VT
=
2 IDID0
(3) IGFET（E）特性曲线
ID μ A
200 150 100 50 可变电阻区
UDS=UGS-VT
UDS=5V
μ A ID
200
放 大 区
UGS=8.0V 6.0V 4.0V
150
100
击 穿 区
UDS
V
0 2 4 6 8 UGS
50
0
2.0V 截止区 IB≤0
NMOS的转移特性曲线
NMOS的输出特性曲线
(4)主要参数：
1）开启电压VT:手册给出是ID为一微小值 时的VGS 2）饱和漏极电流IDO; VGS=2VT时的ID id ∂ id 3)、 电压控制电流系数gm= vgs Uds=常数 ∂uds 2 IDID0 也称跨导（互导） = VT uds 4）交流输出电阻 rds= id vgs=常数 5)极限参数：V（BR）DS 漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS 栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗 ，与
UP
UGS(V)
N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线
转移特性曲线 常用关系式： ID≈ IDSS(1- UGS /UP)2
在恒流区，ID与UGS的关系为 ID≈K(UGS-UP)2
沟道较短时， ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)
Sect
N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线
输出特性曲线
N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>0
MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压
Sect
1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用
gm
dID dUGS
U DS C U BS C
gm的求法: ① 图解法—gm实际就是转移特性曲线的斜率 ②解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2
g m 2K(UGS UT )
Sect
场效应管的主要参数
直流参数 交流参数 极限参数
Sect
1. 开启电压UT
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UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 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UGS=0时所对应的漏
Sect
N沟道增强型MOS场效应管特性曲线
转移特性曲线 UDS一定时，UGS对漏极电流 ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C
增强型MOS管
n—沟道内电子的表面迁移率 COX—单位面积栅氧化层电容 W—沟道宽度 L—沟道长度 Sn—沟道长宽比 K'—本征导电因子 在恒流区，ID与UGS的关系为 2) KI — 导电因子（ mA/V (mA) UDS>UGS-UT D ID≈K(UGS-UT)2 —沟道调制长度系数 沟道较短时，应考虑UDS对 沟道长度的调节作用： ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)
K
n COX W
2L
K K W Sn 2 2 L
L L U DS
UT
UGS(V)
Sect
N沟道增强型MOS场效应管特性曲线
输出特性曲线 UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C 1.可变电阻区： ID与UDS的关系近线性 ID(mA) 当UGS变化时，RON将随之变化 UGS=6V ID≈ 2K(UGS-UT)UDS 因此称之为可变电阻区 dUDS R on dU GS 0 dID UGS=5V 当UGS一定时，RON近似为一常数 UGS=3V UGS=4V 1 1 因此又称之为恒阻区 UGS=UT=3V U GS U T 2K
Sect
N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理
当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极 电流ID, 此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用
ID(mA)
IDSS表示
当UGS＞0时，将使ID进一步增加。 当UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐 渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为 夹断电压，用符号UP表示。
N N N 沟 道
PN结耗尽层 P
N
D漏极
N 沟 道
P 衬底
JFET结构
S源极
IGFET结构
3.1结型场效应晶体管JFET
1) P 沟道和N沟道结构及电路符号
D漏极 G门极
P 沟 道 g d
D漏极 G门极
N 沟 道
d
g
s
S源极
S源极
s
P沟道结构及电路符号
N沟道结构及电路符号
2)工作等效（以P沟道为例）
Sect
2. 衬底跨导gm b
反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用
g mb
dID dU BS
U DS C U GS C
g mb gm
——跨导比
Sect
3. 漏极电阻rds
dUDS rds dID
U BS C U GS C
反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作
点切线上的斜率
4.导通电阻Ron
在恒阻区内
Ron
dU DS dID
U BS C U GS C
1 gm
Sect
5. 极间电容
主要的极间电容有：
Cgs—栅极与源极间电容 Cgd —栅极与漏极间电容 Cgb —栅极与衬底间电容 Csd —源极与漏极间电容
Csb —源极与衬底间电容
Cdb —漏极与衬底Βιβλιοθήκη Baidu电容
Sect
MOS管衬底的处理
处理原则： 保证两个PN结反偏，源极—沟道—漏极之间处于绝缘态 处理方法： NMOS管—UBS加一负压 PMOS管—UBS加一正压
Sect
3.3.2耗尽型MOS场效应管
N沟道耗尽型MOS场效应管结构
耗尽型MOS管存在 原始导电沟道
+++++++

极电流。
Sect
4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结 型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω， 绝缘栅场效应三极管RGS约是109～1015Ω。 5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。 6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压
B S
N
P 衬底
N
B 基底
增强型N沟道示意
NMOS（E）
B 基底
耗尽型N沟道示意
NMOS（D）
2）P沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor)
源极 门极 漏极 S G D
-
Sio2
G
D B S
P沟道
源极 门极 漏极 S G D
-
Sio2
G
G B G
P
N 衬底
P
P
N 衬底
ID(mA)
UGS=6V UGS=1V UGS=4V UGS=0V UGS=--1V UGS(V) Sect
3.3.3各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 绝 增 缘 强 型
栅 场 效 应 管
P 沟 道 增 强 型
Sect
绝 缘 栅 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型
UGS=3V UGS=UT=3V
UGS(V)
Sect
漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用
UDS=UDG＋UGS
=－UGD＋UGS UGD=UGS－UDS
当UDS为0或较小时，相当 UGD＞UT， 此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜 线分布。在UDS作用下形成ID
Sect
基础知识 增强型MOS管
漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用
当UDS增加到使UGD=UT时，
这相当于UDS增加使漏极处沟道 缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断 。此时的漏极电流ID 基本饱和
当UDS增加到UGDUT时， 此时预夹断区域加长，伸向S极。
UDS增加的部分基本降落在随之加长
的夹断沟道上， ID基本趋于不变。