模擬電子技術(shù)第3章 第一部分

1、第三章第三章 場(chǎng)效應(yīng)管放大器場(chǎng)效應(yīng)管放大器 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 3.2 3.2 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置 效應(yīng)管放大器的交流小信號(hào)模型效應(yīng)管放大器的交流小信號(hào)模型 效應(yīng)管放大電路效應(yīng)管放大電路 3.1 3.1 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 BJT是一種電流控制元件是一種電流控制元件(iB iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和，工作時(shí)，多數(shù)載流子和 少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 耗盡型耗盡型 N溝道溝道 P溝道溝道 N溝道溝道 P溝道溝

2、道 N溝道溝道 P溝道溝道 FET分類：分類： 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管（場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱FET）是一種電壓控）是一種電壓控 制器件制器件(uGS iD) ，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它 是單極型器件。是單極型器件。 FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極 高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。 一一 結(jié)型結(jié)型FETFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 兩個(gè)兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)結(jié)夾

3、著一個(gè)N型溝道。型溝道。 三個(gè)電極：三個(gè)電極： g：柵極：柵極 d：漏極：漏極 s：源極：源極 符號(hào)：符號(hào)： - - - p+ +p d漏極 源極s 柵極g N 1. 1. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N N溝為例）：溝為例）： D G D S G S N溝道溝道P溝道溝道 2. N2. N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 （1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用 當(dāng)當(dāng)uGS時(shí)，時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層結(jié)反偏，耗盡層 變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻 增大。增大。 當(dāng)當(dāng)uGS到一定值時(shí)到一定值時(shí) ，溝道會(huì)完，溝道會(huì)完 全

4、合攏。全合攏。 定義：定義： 夾斷電壓夾斷電壓UP使導(dǎo)電溝道完全合使導(dǎo)電溝道完全合 攏（消失）所需要的柵源電壓攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。 N g d s +p VGG + pp s d + g GG N V + p N GG g + s d p V p+ 在柵源間加負(fù)電壓在柵源間加負(fù)電壓uGS ，令，令uDS =0 當(dāng)當(dāng)uGS=0時(shí)，為平衡時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝結(jié)，導(dǎo)電溝 道最寬。道最寬。 （2 2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用 在漏源間加電壓在漏源間加電壓uDS ，令，令uGS =0 由于由于uGS =0，所以導(dǎo)電溝道最寬。，所以導(dǎo)電溝道最寬。 當(dāng)當(dāng)uDS=0

5、時(shí)，時(shí)， iD=0。 uDSiD 靠近漏極處的耗盡層加寬， 靠近漏極處的耗盡層加寬， 溝道變窄，呈楔形分布。溝道變窄，呈楔形分布。 當(dāng)當(dāng)uDS ，使，使uGD=uG S- uDS=UP時(shí)，時(shí)， 在靠漏極處夾斷在靠漏極處夾斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。 預(yù)夾斷前，預(yù)夾斷前， uDSiD 。 預(yù)夾斷后，預(yù)夾斷后， iDSiD 幾乎不變。幾乎不變。 uDS再再，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。 （3 3）柵源電壓）柵源電壓uGS和漏源電壓和漏源電壓uDS共同共同作用作用 iD=f（ uGS 、uDS）,可用兩組特性曲線來(lái)描繪?？捎脙山M特性曲線來(lái)描繪。 N g d s +p+ p d i V DD d s N g

6、d i + p p+ V DD N g s d id DD V p+p+ s id g V d DD p+p+ 1). 輸出特性曲線：輸出特性曲線： iD=f（ uDS ）uGS=常數(shù)常數(shù) 3. JFET3. JFET的特性曲線的特性曲線 s g V d DD d i GG V p+p+ u =-3V DS GS u GS =-1V u u uGS (mA) =-2V D i GS =0V uGS=0V uGS=-1V 設(shè)：設(shè)：UP= -3V 常量 DS GS D mU u i g iD 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm：用來(lái)描述動(dòng)態(tài)的柵：用來(lái)描述動(dòng)態(tài)的柵-源電壓源電壓uGS對(duì)漏極對(duì)漏極 電流電流iD的控

7、制作用（恒流區(qū)）的控制作用（恒流區(qū)） uGS 輸出特性輸出特性 四個(gè)區(qū)：四個(gè)區(qū)： 放大區(qū)的特點(diǎn)：放大區(qū)的特點(diǎn)： iD / uGS = gm 常數(shù)常數(shù) 即： 即： iD = gm uGS （放大原理） （放大原理） （a）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū) （預(yù)夾斷前）。（預(yù)夾斷前）。 （b）放大區(qū)也稱為恒流區(qū)）放大區(qū)也稱為恒流區(qū) 、飽和區(qū)（預(yù)夾斷、飽和區(qū)（預(yù)夾斷 后）。后）。 （c）截止區(qū)（夾斷區(qū)）。）截止區(qū)（夾斷區(qū)）。 （d）擊穿區(qū)。）擊穿區(qū)。 u =-3V DS GS u GS =-1V u u uGS (mA) =-2V D i GS =0V 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) 放大區(qū)放大區(qū) 截止區(qū)截止區(qū) 擊穿區(qū)

8、擊穿區(qū) 2). JFET的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性 iD=f（ uGS ）uDS=常數(shù)常數(shù) u uGS=0V u 0 u (mA) 1 u =-3V D -3-1 3 10V DS 2 (mA) GS(V) 2 1 -4 4 i u =-1V D -2 GS GS GS 4 i (V) 3 =-2V 可根據(jù)輸出特性曲線作出可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線移特性曲線。 例：作例：作uDS=10V的一條的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線： 2 GS DDSS p (1) u iI U 恒流區(qū)中恒流區(qū)中iD的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： 例：已知有一結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為例：已知有一結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為IDSS=1

9、.5mA，Up= - 2V，求它，求它 在在UGS= - 1V時(shí)的跨導(dǎo)時(shí)的跨導(dǎo) gm= ? 2 GS DDSS p (1) u iI U 恒流區(qū)中恒流區(qū)中iD的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： GS DSS pp 111 2(1)2 1.5 (1)0.75 22 D m GS udi gImSmS duUU 1. 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱MOSFET。分為：分為： 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道 1.1.N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管 （1 1）結(jié)

10、構(gòu)結(jié)構(gòu) 4個(gè)電極：漏極個(gè)電極：漏極D， 源極源極S，柵極，柵極G和和 襯底襯底B。 - - - - g s d b 符號(hào)：符號(hào)： - - - - N+ + N P襯底 sgd b 源極柵極漏極 襯底 二二 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理 2 2 工作原理工作原理 (a) 當(dāng)當(dāng)uGS= 0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè) 背靠背的背靠背的 二極管，在漏源之間加上二極管，在漏源之間加上 電壓電壓uDS也不會(huì)形成電流，也不會(huì)形成電流， 漏極電流漏極電流 id=0，管子截止。，管子截止。 柵源電壓柵源電壓uGS的控制作用的控制作用 - - - P襯底襯底 s g

11、 N+ b d SiO2 + N (b)當(dāng)當(dāng)uGS0V, uDS = 0V時(shí)時(shí)縱向電縱向電 場(chǎng)場(chǎng)(1)(1)將兩個(gè)將兩個(gè)N N+ + 區(qū)和襯底中 區(qū)和襯底中電電 子子吸引向襯底表面，并與襯底中吸引向襯底表面，并與襯底中 空穴空穴相遇相遇復(fù)合復(fù)合掉；掉；(2) (2) 排斥排斥襯底襯底 中的多子空穴中的多子空穴。 襯底表面的襯底表面的 薄層中留下了以負(fù)離子為主的薄層中留下了以負(fù)離子為主的空空 間電荷區(qū)間電荷區(qū)(耗盡層耗盡層)，并與，并與兩個(gè)兩個(gè)PNPN 結(jié)的空間電荷區(qū)相通結(jié)的空間電荷區(qū)相通 。 (c) 增大增大uGS , uDS = 0V時(shí)時(shí)縱向電縱向電 場(chǎng)場(chǎng)N+區(qū)和襯底區(qū)和襯底P區(qū)的電子進(jìn)區(qū)的

12、電子進(jìn) 一步被吸引到襯底表面的薄層，一步被吸引到襯底表面的薄層， 繼續(xù)排斥該薄層中的空穴繼續(xù)排斥該薄層中的空穴薄薄 層中自由電子濃度層中自由電子濃度大于大于空穴濃空穴濃 度度形成形成反型層反型層，并與兩個(gè)，并與兩個(gè)N+ 區(qū)相通，成為區(qū)相通，成為導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道(感生溝感生溝 道道)。 - - - s 二氧化硅 P襯底襯底 g + N d + b N VGG id (d) 形成形成導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道后，加漏源電壓后，加漏源電壓 uDS 0V，源區(qū)多子，源區(qū)多子電子電子將沿導(dǎo)電將沿導(dǎo)電 溝道溝道漂移漂移到漏區(qū)，形成自漏極流向到漏區(qū)，形成自漏極流向 源極的漏極電流源極的漏極電流id。 顯然：顯然：uG

13、S越大，反型層中的自由電越大，反型層中的自由電 子濃度越大，溝道的導(dǎo)電能力就越子濃度越大，溝道的導(dǎo)電能力就越 強(qiáng)，從而強(qiáng)，從而 uDS作用下的漏極電流作用下的漏極電流id也也 就越大，就相當(dāng)于漏源極之間的等就越大，就相當(dāng)于漏源極之間的等 效電阻效電阻RDS越小。即：越小。即： uGS RDS (c) 增大增大uGS , uDS = 0V時(shí)時(shí)縱向電縱向電 場(chǎng)場(chǎng)N+區(qū)和襯底區(qū)和襯底P區(qū)的電子進(jìn)區(qū)的電子進(jìn) 一步被吸引到襯底表面的薄層，一步被吸引到襯底表面的薄層， 繼續(xù)排斥該薄層中的空穴繼續(xù)排斥該薄層中的空穴薄薄 層中自由電子濃度層中自由電子濃度大于大于空穴濃空穴濃 度度形成形成反型層反型層，并與兩個(gè)

14、，并與兩個(gè)N+ 區(qū)相通，成為區(qū)相通，成為導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道(感生溝感生溝 道道)。 - - - s 二氧化硅 P襯底襯底 g + N d + b N VGG id (d) 形成形成導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道后，加漏源電壓后，加漏源電壓 uDS 0V，源區(qū)多子，源區(qū)多子電子電子將沿導(dǎo)電將沿導(dǎo)電 溝道溝道漂移漂移到漏區(qū)，形成自漏極流向到漏區(qū)，形成自漏極流向 源極的漏極電流源極的漏極電流id。 顯然：顯然：uGS越大，反型層中的自由電越大，反型層中的自由電 子濃度越大，溝道的導(dǎo)電能力就越子濃度越大，溝道的導(dǎo)電能力就越 強(qiáng)，從而強(qiáng)，從而 uDS作用下的漏極電流作用下的漏極電流id也也 就越大，就相當(dāng)于漏源極之間的

15、等就越大，就相當(dāng)于漏源極之間的等 效電阻效電阻RDS越小。即：越小。即： uGS RDS 定義：定義：開(kāi)啟電壓（開(kāi)啟電壓（ UT）剛剛產(chǎn)生溝道所需的剛剛產(chǎn)生溝道所需的 柵源電壓柵源電壓UGS。 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管 的基本特性：的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，管子導(dǎo)通。，管子導(dǎo)通。 uGS 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作作 用下，漏極電流用下，漏極電流id越大。越大。 漏源電壓漏源電壓uDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流id的控制作用的控制作用 當(dāng)當(dāng)uGSUT (導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成) ，且固定為某一值時(shí)，

16、來(lái)分析漏源電壓，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓uDS對(duì)對(duì) 漏極電流漏極電流id的影響。的影響。（設(shè)（設(shè)UT=2V， uGS=4V） (a) uDS=0時(shí)，時(shí)， id=0； (b) uDS id， uGD= = uGS - - uDS ，溝道，溝道 靠漏區(qū)變窄靠漏區(qū)變窄 (c) 當(dāng)當(dāng)uDS增大使增大使uGD=UT時(shí)，溝道靠漏時(shí)，溝道靠漏 極端（極端（A點(diǎn)）消失，稱為點(diǎn)）消失，稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。 (d) uDS再增大，夾斷點(diǎn)再增大，夾斷點(diǎn)A向源極延伸向源極延伸 ，在漏區(qū)附近出現(xiàn)，在漏區(qū)附近出現(xiàn)夾斷區(qū)夾斷區(qū)。 由于由于uGA 恒為恒為UT, uAS也恒為也恒為uGSUT ， uDS增大增大 的的多

17、余電壓多余電壓uDS (uGS-UT) 基本都降落基本都降落 在夾斷區(qū)。在夾斷區(qū)。id基本不變，或略有增大基本不變，或略有增大 - - - s 二氧化硅 P襯底 g DD V + N d + b N VGG id- - - 二氧化硅 N i s d N V b + DD d V P襯底 GG g - - - GG b V d 二氧化硅 s i N g DD + d P襯底襯底 V N + A uDS0后，有后，有id產(chǎn)生。產(chǎn)生。 3 MOS3 MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 四個(gè)區(qū)：四個(gè)區(qū)： （a）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū) （預(yù)夾斷前）。（預(yù)夾斷前）。 輸出特性曲線：輸出特性曲線：i

18、D=f(uDS) uGS=const i (V) (mA) D DS u GS=6V u u =5V GS =4V uGS u =3V GS （b）放大區(qū)也稱為恒流區(qū)）放大區(qū)也稱為恒流區(qū) 、飽和區(qū)（預(yù)夾斷、飽和區(qū)（預(yù)夾斷 后）。后）。 （c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。 （d）擊穿區(qū)。）擊穿區(qū)。 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) 恒流區(qū)恒流區(qū) 截止區(qū)截止區(qū) 擊穿區(qū)擊穿區(qū) 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線： iD=f(uGS) uDS=const 可根據(jù)輸出特性曲線作出可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線移特性曲線。 例：作例：作uDS=10V的一條的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線： i (mA) D GS=

19、6V u u =5V GS =4V uGS u =3V GS u DS(V) D i (mA) 10V 1 2 3 4 1 4 3 2 (V) u GS 246 UT 2 GS DDO T (1) u iI U 一個(gè)重要參數(shù)一個(gè)重要參數(shù)跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm： ： gm= iD/ uGS uDS=const (單位單位mS) gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 在轉(zhuǎn)移特性曲線上，在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm為的曲線的斜率。為的曲線的斜率。 在輸出特性曲線上也可求出在輸出特性曲線上也可求出gm。 1 (mA) DS u =6V =3V u uGS (V)

20、1 D 6 2 4 i 4 3 =5V (mA) 2 4 3 i D GS 2 10V (V) uGS i D GS u i D 2.N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 當(dāng)當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，時(shí)，就有溝道， 加入加入uDS， ，就有 就有iD。 當(dāng)當(dāng)uGS0時(shí)，溝道增寬時(shí)，溝道增寬 ，iD進(jìn)一步增加。進(jìn)一步增加。 當(dāng)當(dāng)uGS0時(shí)，溝道變窄時(shí)，溝道變窄 ，iD減小。減小。 在柵極下方的在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng) uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。 定義

21、：定義： 夾斷電壓（夾斷電壓（ UP）溝道剛剛消失所需的柵源電壓溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。 - - - - g漏極s + N 襯底 P襯底 源極d柵極 b N + + + + + + + + - - - - s b g d N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的的特性曲線特性曲線 輸出特性曲線輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 1 GS u 0 1 D (V) -12-2 (mA) 4 3 2 i 4 2 u u 3 10V =+2V 1 DS GS D(mA) i = -1V u GS GS GS=0V =+1V u u (V) = -2VUPGS u UP 3、P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSF