第9講 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

第九講場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的三極管，稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱(chēng)單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。DSGN符號(hào)1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱(chēng)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖1.4.2

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS二、工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來(lái)控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。

1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UGS(off)為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+(c)

UGS

=UGS(off)VGG

2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負(fù)電源VGG，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID

。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG

UGS<0，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)

UGS=0，

ID較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,|

UGD|=|UGS(off)|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UGS(off),ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)

改變UGS，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了ID

，故稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUGS(off)圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈負(fù)，ID愈?。籙GS=UGS(off)，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS(off)

(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測(cè)試電路+mA1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性2.輸出特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS

的關(guān)系，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.輸出特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測(cè)試電路+mA圖1.4.6(b)

漏極特性場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖1.4.7

在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱(chēng)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類(lèi)型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長(zhǎng)。當(dāng)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí)，形成導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型管SiO2絕緣層襯底耗盡層空穴高摻雜反型層大到一定值才開(kāi)啟2.工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用uGS

來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流iD。工作原理分析(1)uGS=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖1.4.9(2)

uDS=0，0<uGS<UGS(th)P型襯底N+N+BGSD

P型襯底中的電子被吸引靠近SiO2

與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS

耗盡層變寬。VGG---------(3)

uDS=0，uGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閡DS=0，所以iD=0。UGS(th)

為開(kāi)始形成反型層所需的uGS，稱(chēng)開(kāi)啟電壓。(4)

uDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(uGS

>UGS(th))導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流iD

。（可變電阻區(qū)，iD

隨著uDS增加而增加）b.uDS=uGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.uDS

>uGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，uDS

逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，iD

因而基本不變。(恒流條件)a.uDS<uGS–UGS(th)，即uGD=uGS–uDS>UGS(th)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖1.4.11

uDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

uGD>UGS(th)(b)

uGD=UGS(th)(c)

uGD<UGS(th)增強(qiáng)型MOS管uDS對(duì)iD的影響

用場(chǎng)效應(yīng)管組成放大電路時(shí)應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？

iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)

uGD＝UGS（th）,預(yù)夾斷

iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來(lái)克服夾斷區(qū)的電阻3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)uGS<UGS(th)，iD=0；

uGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著uGS

的增加，iD

逐漸增大。(當(dāng)uGS

>UGS(th)

時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖1.4.12(a)圖1.4.12(b)二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使uGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

uGS=0，uDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

uGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，iD

減?。?/p>

UGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。UGS(off)

稱(chēng)為夾斷電壓圖1.4.13N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：uDS>0；uGS

正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖1.4.15

MOS管的符號(hào)SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖1.4.14特性曲線1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UGS(off)3.開(kāi)啟電壓UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。種類(lèi)符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO種類(lèi)符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+2.7場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.7.1場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)1.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件；

2.柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；

3.一種極性的載流子導(dǎo)電，受外界溫度及輻射影響??；

4.制造工藝簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模集成；

5.

跨導(dǎo)較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。2.7.2共源極放大電路圖2.7.3共源極放大電路原理電路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD與雙極型三極管對(duì)應(yīng)關(guān)系bG,eS,cD為了使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：圖示電路為N溝道增強(qiáng)型MOS

場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路。一、靜態(tài)分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD圖2.7.3共源極放大電路原理電路兩種方法近似估算法圖解法(一)

近似估算法

MOS管柵極電流為零，當(dāng)uI=0時(shí)UGSQ=VGG而iD

與uGS

之間近似滿足(當(dāng)uGS>UGS(th))式中

IDO為uGS=2UGS(th)時(shí)的值。則靜態(tài)漏極電流為

(二)

圖解法圖2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的Q

點(diǎn)VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD

畫(huà)出直流負(fù)載線。圖中IDQ、UDSQ

即為靜態(tài)值。二、動(dòng)態(tài)分析iD

的全微分為上式中定義：——場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)(毫西門(mén)子mS)?！獔?chǎng)效應(yīng)管漏源之間等效電阻。1.微變等效電路二、動(dòng)態(tài)分析如果輸入正弦信號(hào)，則可用相量代替上式中的變量。成為：根據(jù)上式做等效電路如圖所示。圖2.7.5場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路++——GDS由于沒(méi)有柵極電流，所以柵源是懸空的。微變參數(shù)

gm

和rDS

(1)

根據(jù)定義通過(guò)在特性曲線上作圖方法中求得。(2)

用求導(dǎo)的方法計(jì)算

gm在Q

點(diǎn)附近，可用IDQ

表示上式中iD，則一般gm約為0.1至20mS。rDS

為幾百千歐的數(shù)量級(jí)。當(dāng)RD比rDS

小得多時(shí)，可認(rèn)為等效電路的rDS

開(kāi)路。2.共源極放大電路的動(dòng)態(tài)性能VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD圖2.7.6共源極放大電路的微變等效電路將

rDS

開(kāi)路而所以輸出電阻Ro=RDMOS管輸入電阻高達(dá)109

。-D++-GSRG+-2.7.3分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根據(jù)輸入回路列方程圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解聯(lián)立方程求出UGSQ

和IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路列輸出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)圖解法由式可做出一條直線，另外，iD

與