低頻第五章年

低頻第五章年第一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日引言：1.場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)(1)它是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。(2)它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，(3)還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。(4)在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

第二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道2.場(chǎng)效應(yīng)管的分類：第三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)第四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS)場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻雖然可達(dá)106～109歐姆，但在要求輸入電阻更高的場(chǎng)合，還是不能滿足要求。本節(jié)介紹的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）具有更高的輸入電阻，可1015歐姆。并具有制造工藝簡(jiǎn)單、適于集成電路的優(yōu)點(diǎn)。MOS管也有N溝道和P溝道之分，而且每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。增強(qiáng)型MOS管在vGS=0時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道存在。而耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在。

第五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏--源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）第六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長(zhǎng)度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L第七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1.結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)第八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖1MOS管的結(jié)構(gòu)

注：1）代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。2）P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖1(c)所示。第九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0時(shí),無(wú)導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0<vGS<VT時(shí),產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。

當(dāng)vGS>VT時(shí),在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。

vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT稱為開啟電壓第十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場(chǎng)強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布第十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度當(dāng)vDS增加到使vGD=VT時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS=VT第十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用第十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.工作原理（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)

vDS一定，vGS變化時(shí)給定一個(gè)vGS，就有一條不同的iD–

vDS曲線。第十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。第十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程②可變電阻區(qū)vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻第十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2第十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時(shí)的iDV-I特性：第十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性S第十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流第二十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）第二十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.3P溝道MOSFET第二十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，曲線是平坦的。

修正后第二十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1.開啟電壓VT（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓VP（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，rds→∞

第二十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)考慮到則其中第二十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.1.5MOSFET的主要參數(shù)end三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

第二十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日本次作業(yè)P249：習(xí)題5.1.2第二十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析3.小信號(hào)模型分析第二十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路第二十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足VGS>VT，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即第三十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，第三十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日例2下圖電路中，設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管為增強(qiáng)型MOSFET，已知Rg1=300K，Rg2=150K，VDD=18V，Rd=3K，RS=3K，Rg3=1M，Kn=0.4mA/V，VT=1V，試用估算法求解靜態(tài)工作點(diǎn)。CsRLC1C2RSRg1Rg2Rg3Rd+vi-+v0-第三十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日RSRg1Rg2Rg3Rd解：（1）畫出電路的直流通路。如下圖所示第三十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）寫出輸入、輸出回路方程VDS=VDD–ID(Rd+R)假設(shè)工作在飽和區(qū)將已知條件代入上式得：聯(lián)立計(jì)算即可得到各值。第三十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足第三十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）第三十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同第三十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動(dòng)態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng)當(dāng)vgs<<2(VGSQ-VT)時(shí)，第三十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型=0時(shí)高頻小信號(hào)模型第三十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.小信號(hào)模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析（例5.2.5）s第四十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s第四十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏第四十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析end第四十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日本次作業(yè)P249：習(xí)題5.2.1，5.2.2，5.2.5第四十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第四十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（1）N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個(gè)不對(duì)稱的P+N結(jié)，即耗盡層。把兩個(gè)P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個(gè)電極g，稱為柵極，在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為源極s和漏極d。5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理第四十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)鲂?yīng)管的與三極管的三個(gè)電極的對(duì)應(yīng)關(guān)系：柵極g--基極b源極s--發(fā)射極e漏極d--集電極c

夾在兩個(gè)P+N結(jié)中間的區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道（簡(jiǎn)稱溝道）。圖1(a)所示的管子的N區(qū)是電流的通道，稱為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。

第四十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電路符號(hào)如圖1(b)所示。其中，柵極上的箭頭表示柵極電流的方向（由P區(qū)指向N區(qū)）。

由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管代表符號(hào)中柵極上的箭頭方向，可以確認(rèn)溝道的類型。第四十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日N溝道JFET的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖所示第五十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中襯底和頂部的中間都是P+型半導(dǎo)體，它們連接在一起（圖中未畫出）作為柵極g。兩個(gè)N+區(qū)分別作為源極s和漏極d。三個(gè)電極s、g、d分別由不同的鋁接觸層引出。

第五十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管如果在一塊P型半導(dǎo)體的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的N+區(qū)，就可以制成一個(gè)P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和它在電路中的代表符號(hào)如下

第五十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理完全相同，現(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例，分析其工作原理。（1）偏置電壓N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，需要外加如圖4所示的偏置電壓.第五十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第五十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日a.柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS＜0)作用：使柵-源極間的P+N結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)108W左右)。b.漏-源極間加一正電壓(vDS＞0)作用：使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD。第五十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日在上述兩個(gè)電源的作用下,iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏-源電壓vDS的影響。因此，討論場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理就是：a.討論柵-源電壓vGS對(duì)漏極電流iD（或溝道電阻）的控制作用b.討論漏-源電壓vDS對(duì)漏極電流iD的影響。

第五十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)vGS對(duì)iD的控制作用圖5所示電路說(shuō)明了vGS對(duì)溝道電阻的控制作用。為便于討論，先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。a.當(dāng)vGS=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小，如圖5(a)所示。b.當(dāng)VPvGS<0，且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vGS|的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖5(b)所示。第五十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖5VGS對(duì)溝道電阻的控制作用

第五十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日C.當(dāng)VGSVP時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖5(c)所示。由于耗盡層中沒(méi)有載流子，因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，即使加上一定的電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓vGS稱為夾斷電壓，用VP表示。如圖5(c)所示。

第五十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖5VGS對(duì)溝道電阻的控制作用

第六十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日上述分析表明:(a)改變柵源電壓vGS的大小，可以有效控制溝道電阻的大小.(b)若同時(shí)在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS，則漏極電流iD將受vGS的控制，|vGS|增大時(shí)，溝道電阻增大，iD減小。(c)上述效應(yīng)也可以看作是柵-源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。第六十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(3)

vDS對(duì)iD的影響設(shè)vGS值固定，且VP<vGS<0。(a)當(dāng)漏-源電壓vDS從零開始增大時(shí)，溝道中有電流iD流過(guò)。在vDS的作用下,導(dǎo)電溝道呈楔形.由于溝道存在一定的電阻，因此，iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)的電位不再相等，漏極端電位最高，源極端電位最低。這就使柵極與溝道內(nèi)各點(diǎn)間的電位差不再相等，其絕對(duì)值沿溝道從漏極到源極逐漸減小，在漏極端最大(為|vGD|)，即加到該處P+N結(jié)上的反偏電壓最大，這使得溝道兩側(cè)的耗盡層從源極到漏極逐漸加寬，溝道寬度不再均勻，而呈楔形，如圖6(a)所示。第六十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D6vDS對(duì)iD的影響

第六十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

6V6V0V2V4V導(dǎo)電溝道中電位分布情況

圖6vDS對(duì)iD的影響

第六十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(b)在vDS較小時(shí)，iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加它對(duì)iD的影響應(yīng)從兩個(gè)角度來(lái)分析：一方面vDS增加時(shí)，溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，iD隨著增加；另一方面，隨著vDS的增加，溝道的不均勻性增大，即溝道電阻增加，iD應(yīng)該下降，但是在vDS較小時(shí)，溝道的不均勻性不明顯，在漏極附近的區(qū)域內(nèi)溝道仍然較寬，即vDS對(duì)溝道電阻影響不大，故iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加。隨著vDS的進(jìn)一步增加，靠近漏極一端的P+N結(jié)上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應(yīng)變寬，溝道電阻相應(yīng)增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。第六十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(c)當(dāng)vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS-vDS=VP(夾斷電壓)時(shí)，溝道預(yù)夾斷此時(shí),漏極附近的耗盡層即在A點(diǎn)處合攏，如圖6(b)所示，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷.與前面講過(guò)的整個(gè)溝道全被夾斷不同，預(yù)夾斷后，漏極電流iD≠0。因?yàn)檫@時(shí)溝道仍然存在，溝道內(nèi)的電場(chǎng)仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運(yùn)動(dòng)，并被強(qiáng)電場(chǎng)拉向漏極。第六十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(d)若vDS繼續(xù)增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時(shí)，耗盡層合攏部分會(huì)有增加，即自A點(diǎn)向源極方向延伸，如圖6(c)，夾斷區(qū)的電阻越來(lái)越大，但漏極電流iD不隨vDS的增加而增加,基本上趨于飽和，因?yàn)檫@時(shí)夾斷區(qū)電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上，溝道電場(chǎng)強(qiáng)度增加不多，因而iD基本不變。但當(dāng)vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結(jié)上反向電壓將使P+N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD會(huì)急劇增加，正常工作時(shí)vDS不能超過(guò)V(BR)DS。第六十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)的原理可知：①

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極與溝道之間的P+N結(jié)是反向偏置的，因此，柵極電流iG≈0，輸入阻抗很高。②

漏極電流受柵-源電壓vGS控制，所以場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件。③

預(yù)夾斷前，即vDS較小時(shí)，iD與vDS間基本呈線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，電源的極性與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電源極性相反。第六十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、特性曲線由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極輸入電流iG≈0，因此很少應(yīng)用輸入特性曲線，常用的特性曲線有輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。(1)輸出特性曲線輸出特性曲線用來(lái)描述vGS取一定值時(shí)，電流iD和電壓vDS間的關(guān)系，即它反映了漏-源電壓vDS對(duì)iD的影響。5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)第六十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)可劃分為四個(gè)區(qū)域。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖7所示第七十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(a)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，它表示vDS較小、管子預(yù)夾斷前，電壓vDS與漏極電流iD間的關(guān)系.在此區(qū)域內(nèi)有VP＜vGS≤0，vDS＜vGS－VP。當(dāng)vGS一定，vDS較小時(shí)，vDS對(duì)溝道影響不大，溝道電阻基本不變，iD與vDS之間基本呈線性關(guān)系。若|vGS|增加，則溝道電阻增大，輸出特性曲線斜率減小。所以，在vDS較小時(shí)，源-漏極間可以看作是一個(gè)受vGS控制的可變電阻，故稱這一區(qū)域?yàn)榭勺冸娮鑵^(qū)。這一特點(diǎn)常使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管被作為壓控電阻而廣泛應(yīng)用。第七十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(b)飽和區(qū)(恒流區(qū)、線性放大區(qū))當(dāng)VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP時(shí)，N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入飽和區(qū)，即圖中特性曲線近似水平的部分。它表示管子預(yù)夾斷后，電壓vDS與漏極電流iD間的關(guān)系。飽和區(qū)的特點(diǎn)是iD幾乎不隨vDS的變化而變化，iD已趨于飽和，但它受vGS的控制。增加，溝道電阻增加，iD減小。場(chǎng)效應(yīng)管作線性放大器件用時(shí)，就工作在飽和區(qū)。圖1中左邊的虛線是可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的分界線，是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的預(yù)夾斷點(diǎn)（vDS=vGS-VP）的軌跡。顯然，預(yù)夾斷點(diǎn)隨vGS改變而變化，vGS愈負(fù)，預(yù)夾斷時(shí)的vDS越小。

第七十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(c)擊穿區(qū)管子預(yù)夾斷后，若vDS繼續(xù)增大，當(dāng)柵-漏極間P+N結(jié)上的反偏電壓vGD增大到使P+N結(jié)發(fā)生擊穿時(shí)，iD將急劇上升，特性曲線進(jìn)入擊穿區(qū)。管子被擊穿后再不能正常工作。(d)截止區(qū)(又稱夾斷區(qū))當(dāng)柵-源電壓∣vGS∣>Vp時(shí)，溝道全部被夾斷，iD≈0，這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。截止區(qū)處于輸出特性曲線圖的橫座標(biāo)軸附近(圖1中未標(biāo)注)。第七十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日由于轉(zhuǎn)移特性和輸出特性都是用來(lái)描述vGS、vDS及iD間的關(guān)系的，所以轉(zhuǎn)移特性曲線可以根據(jù)輸出特性曲線繪出。作法如下：在圖7所示的輸出特性中作一條vDS=10V的垂線，將此垂線與各條輸出特性曲線的交點(diǎn)A、B和C所對(duì)應(yīng)的iD、vGS的值轉(zhuǎn)移到iD-vGS直角坐標(biāo)系中，即可得到轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖8(a)所示。改變vDS的大小，可得到一族轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖8(b)所示。它反映了柵-源電壓vGS對(duì)iD的控制作用。

（2）轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線用來(lái)描述vDS取一定值時(shí)，iD與vGS間的關(guān)系的曲線，即:第七十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日作法如下：在圖7所示的輸出特性中作一條vDS=10V的垂線，將此垂線與各條輸出特性曲線的交點(diǎn)A、B和C所對(duì)應(yīng)的iD、vGS的值轉(zhuǎn)移到iD-vGS直角坐標(biāo)系中，即可得到轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖8(a)所示。改變vDS的大小，可得到一族轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖8(b)所示。注：書中162頁(yè)圖4.1.6第七十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日vGSiDIDSS(a)(b)圖8N溝道JFET轉(zhuǎn)移特性vGSiDVGS=20V10V5V1VvGSiD第七十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(VP＜vGS≤0)式中IDSS為vGS=0，vDS≥0時(shí)的漏極電流，稱為飽和漏極電流。由此圖可以看出，當(dāng)vDS大于一定的數(shù)值后(圖中為vDS≥5V）后，不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合，這是因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)內(nèi)iD幾乎不隨vDS而變。因此可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線來(lái)表示飽和區(qū)中iD與vGS的關(guān)系。在飽和區(qū)內(nèi)iD可近似地表示為第七十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)

(1)夾斷電壓VP當(dāng)vDS為某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小電流(例如50mA)時(shí)，柵-源極間所加的電壓即夾斷電壓。(2)飽和漏極電流IDSS在vGS=0的條件下，場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。IDSS是結(jié)型場(chǎng)效管管子所能輸出的最大電流。第七十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日(3)直流輸入電阻RGS它是在漏-源極間短路的條件下，柵-源極間加一定電壓時(shí)，柵-源極間的直流電阻。(4)低頻跨導(dǎo)gm當(dāng)vDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微小變化量與柵-源電壓vGS的微小變化量之比為跨導(dǎo)，即第七十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日gm反映了柵-源電壓對(duì)漏極電流的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。單位為西門子(s)，有時(shí)也用ms或μs表示。需要指出的是，gm與管子的工作電流有關(guān)，iD越大，gm就越大。在放大電路中，場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū)(恒流區(qū))，gm可由下式求得，即第八十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法1.JFET小信號(hào)模型（1）低頻模型第八十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）高頻模型第八十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日與雙極型三極管放大電路相對(duì)應(yīng)，場(chǎng)效應(yīng)管放大電路也有三種基本組態(tài)，即共源極、共漏極和共柵極放大電路（由于共柵連接時(shí)，柵極與溝道間的高阻未能發(fā)揮作用，故共柵電路很少使用）。用場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)模型分析其放大電路的步驟，與三極管放大電路的小信號(hào)模型分析法的步驟相同。下面以共源極放大電路為例進(jìn)行分析。2、應(yīng)用小信號(hào)模型法分析FET放大電路第八十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日C1C2RSRg1Rg2Rg3Rd+vi-+v0-Td（1）共源極放大電路第八十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日共源極電路低頻小信號(hào)模型+Vi-+V0-Rg3Rg2Rg1RS+Vgs—rdsRdIdgmVgsgds（2）中頻小信號(hào)模型第八十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)鲂?yīng)管的輸出電阻rd通常在幾百千歐數(shù)量級(jí)，比電阻Rd、RL大得多，因此可將rd作開路處理，+Vi-+V0-Rg3Rg2Rg1RSRdIdgmVgsgds中頻小信號(hào)模型+Vgs—第八十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）中頻電壓增益式中負(fù)號(hào)表示共源極放大電路的輸出電壓與輸入電壓相位相反，即共源放大電路屬于反相電壓放大電路。第八十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（5）輸出電阻應(yīng)用前面介紹過(guò)的求放大電路輸出電阻的方法，可求得圖1所示電路的輸出電阻為（4）輸入電阻由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極幾乎不取信號(hào)電流，柵-源極間的交流電阻rgs可視為無(wú)窮大，因此，圖1所示共源極放大電路的輸入電阻為

第八十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日由上述分析可知，與共射極放大電路類似，共源極放大電路具有一定的電壓放大能力，且輸出電壓與輸入電壓反相，故被稱為反相電壓放大器。共源極放大電路的輸入電阻很高，輸出電阻主要由漏極電阻Rd決定。適用于作多級(jí)放大電路的輸入級(jí)或中間級(jí)。結(jié)論：第八十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日補(bǔ)：（2）共漏極放大電路及其小信號(hào)等效電路C1C2RRg1Rg2Rg3Rd+vi-+v0-TdsRL+VS-RS第九十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日共漏極放大電路由于輸出電壓從源極取出，又稱其為源極輸出器。+Vi-+V0-Rg3Rg2Rg1RRLIdgmVgsgds+Vgs-RiRO+VS-RS第九十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．中頻電壓增益由小信號(hào)等效電路可知所以:由此式可知，當(dāng)時(shí),共漏極放大電路的中頻電壓增益近似為1，輸出電壓與輸入電壓相位相同。因此，共漏極放大電路又稱為源極電壓跟隨器。第九十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．輸出電阻Ro將圖1(b)中的信號(hào)源短路，保留其內(nèi)阻Rs，將負(fù)載電阻RL開路，在輸出端加一測(cè)試電壓VT，由此可畫出求共漏極放大電路輸出電阻Ro的電路，如圖1(c)所示。由于柵極電流Ig=0，于是有

2．輸入電阻Ri第九十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日+VT-Rg3Rg2Rg1RIdgmVgsgds+Vgs-IRsITRS第九十四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日即共漏極電路的輸出電阻Ro等于源極電阻R和跨導(dǎo)的倒數(shù)相并聯(lián)，所以，輸出電阻Ro較小。不過(guò)由于一般情況下gm較小，因而使共漏電路的輸出電阻比共集電路的輸出電阻高。由以上分析可知，與三極管共集電極放大電路類似，場(chǎng)效應(yīng)管共漏極放大電路沒(méi)有電壓放大作用，其電壓增益小于1，輸出電壓與輸入電壓相位相同，輸入電阻高，輸出電阻低?？勺髯杩棺儞Q用。

第九十五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日例2下圖電路中已知結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的VP=-3V，IDSS=3mA，RDS》Rd，Rd=12K，Rg=1M，RS1=RS2=500，VDD=20V，求（1）電壓放大倍數(shù)（2）輸入電阻和輸出電阻CsC1C2RS2Rg1RgRg3Rd+vi-+v01-RS1+v02-第九十六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）用估算法計(jì)算Q點(diǎn)RS2RgRg3Rd+vi-+VDS-RS1因?yàn)椋篒G≈0所以：VG=0VGS=VG-VS=-VS第九十七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日聯(lián)立兩式得：故：所以：第九十八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日+V01-RgRIdgmVgsgds+Vgs-IRs+V02-Rd+Vi-（2）作微變等效電路圖中第九十九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）求AV1和AV2由微變等效電路得：得：第一百頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）求Ri、RO1、RO2由微變等效電路得：為求RO2，作出下圖所示等效電路，由電路得：第一百零一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日+VT-RgmVgsgds+Vgs-IRd由等效電路得：可得：因此可得：第一百零二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日*5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管本節(jié)不做教學(xué)要求，有興趣者自學(xué)第一百零三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.5.1各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較5.5各種放大器件電路性能比較第一百零四頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日第一百零五頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.5.2使用場(chǎng)效應(yīng)管的注意事項(xiàng)

1．從場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上看，其源極和漏極是對(duì)稱的，因此源極和漏極可以互換。但有些場(chǎng)效應(yīng)管在制造時(shí)已將襯底引線與源極連在一起，這種場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極就不能互換了。第一百零六頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．場(chǎng)效應(yīng)管各極間電壓的極性應(yīng)正確接入，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源電壓vGS的極性不能接反。3．當(dāng)MOS管的襯底引線單獨(dú)引出時(shí)，應(yīng)將其接到電路中的電位最低點(diǎn)（對(duì)N溝道MOS管而言）或電位最高點(diǎn)（對(duì)P溝道MOS管而言），以保證溝道與襯底間的PN結(jié)處于反向偏置，使襯底與溝道及各電極隔離。4．MOS管的柵極是絕緣的，感應(yīng)電荷不易泄放，而且絕緣層很薄，極易擊穿。所以柵極不能開路，存放時(shí)應(yīng)將各電極短路。焊接時(shí)，電烙鐵必須可靠接地，或者斷電利用烙鐵余熱焊接，并注意對(duì)交流電場(chǎng)的屏蔽。第一百零七頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.5.3場(chǎng)效應(yīng)管與三極管的性能比較

1．場(chǎng)效應(yīng)管的源極s、柵極g、漏極d分別對(duì)應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。

2．場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由vGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC。3．場(chǎng)效應(yīng)管柵極幾乎不取電流（ig=0）；而三極管工作時(shí)基極總要吸取一定的電流。因此場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。4．場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場(chǎng)效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。在環(huán)境條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。第一百零八頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5．場(chǎng)效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時(shí)，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大；而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時(shí)，其特性差異很大，β值將減小很多。6．場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中要選用場(chǎng)效應(yīng)管。7．場(chǎng)效應(yīng)管和三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但由于前者制造工藝簡(jiǎn)單，且具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。第一百零九頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.5.4各種放大器件電路的性能比較

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的共源電路、共漏電路、共柵電路分別與三極管放大電路的共射電路、共集電路、共基電路相對(duì)應(yīng)。這兩種器件的六種組態(tài)又可歸納為三種作用的組態(tài)，即反相電壓放大器、電壓跟隨器、電流跟隨器。第一百一十頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

共源電路與共射電路均有電壓放大作用而且輸出電壓與輸入電壓相位相反。為此，可統(tǒng)稱這兩種放大電路為反相電壓放大器，用圖1(a)所示的示意圖表示。一、反相電壓放大器三端有源器件直流電源負(fù)載元件+v0-+vi-圖1（a）第一百一十一頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

共漏電路與共集電路均沒(méi)有電壓放大作用，在一定條件下可認(rèn)為電壓放大倍數(shù)近似為1，即輸出電壓與輸入電壓大小相等，而且輸出電壓與輸入電壓同相位。因此，可將這兩種放大電路稱為電壓跟隨器，用圖1(b)所示的示意圖表示。二、電壓跟隨器直流電源三端有源器件負(fù)載元件+v0-+vi-第一百一十二頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、電流跟隨器

共柵電路和共基電路均有輸出電流與輸入電流接近相等，為此，可將它們稱為電流跟隨器，用圖1(c)所示的示意圖表示。而且，由于這兩種放大電路的輸入電流都比較大，因此，它們的輸入電阻都比較小。三端有源器件直流電源負(fù)載元件+v0-iIi0第一百一十三頁(yè)，共一百二十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.5.3各種放大器件電路性