模拟电子技术基础-黄瑞祥-课件-第4章-场效应管及其放大电路

1、4 场效应管放大电路,4.1 MOS场效应管及其特性,4.3 场效应管放大电路中的偏置,4.4 场效应管放大电路分析,4.2 结型场效应管及其特性,4 场效应管放大电路,4 场效应管放大电路,场效应管（FET）是一种电压控制电流源器件。 特点：输入电阻大，温度稳定性好，制造工艺简单，集成度高等。 由于FET是依靠一种载流子导电（电子或空穴），故又称单极型三极管。,4 场效应管放大电路,FET的分类如下： MOSFET是指它的结构为：金属氧化物半导体的场效应管。Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor.,4.1 MOS场效应管及其特性 4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,以N沟道为例，图3-1-1为N-EMOSFET的结构示意图。 图（a）结构示意图中，典型值L=110m，W=2500m，氧化层厚度范围0.020.1m。从图（a）可以看出，其物理结构为金属氧化物半导体的FET，故称为MOSFET。 图4-1-1(b)是N-EMOSFET的电路符号，图中衬底极的箭头方向是PN结加正偏时的正向电流方向，说明衬底相连的是P

2、区，沟道是N型的；电路符号中漏极D到源极S之间用虚线，表示初始时没有导电沟道，属于增强型。图4-1-1（c）是当衬底U与源极S相连时N沟道EMOSFET的简化电路符号，图中箭头方向为实际电流的方向。,图4-1-1 N-EMOSFET的结构示意图和电路符号,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,1、结构,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,2、工作原理 在一般情况下，源极S与衬底U（或B）相连，即 。 正常工作时，源区和漏区的两个N+区与衬底之间的PN结必须外加反偏电压，即漏极对源极的电压VDS 为正值。,（1）栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。,当 0VGSVGS(th) （或VT） (开启电压)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。,2. 工作原理,4.1.

3、1 增强型MOSFET（EMOSFET）,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 ID，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下， ID 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 ID 的控制。,当VGS VGS(th) （或VT）时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。我们把开始形成反型层的VGS电压值称为该管的开启电压VGS(th) （或VT） 。,I D,当VGSVT（VGS(th)）且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID，当ID从D S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大，为VGS ，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏,间电压最小，其值为： VGD=

4、VGS-VDS , 由此 感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏极端沟道消失，出现预夹断点。,A,(2)漏源电压VDS对沟道导电能力的影响,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力送至漏区，形成漏极电流ID 。,当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的预夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此， VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始， ID基本不随VDS增加而变化。,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,根据以上分析，可以画出VGSVGS(th) 的

5、一定值时，ID随VDS变化的特性： 当VDS很小时，VDS对沟道深度（或宽度）的影响可以忽略，沟道电阻近似与VDS无关，则ID随VDS的增大而线性增大。 随着VDS的增大，近漏极端的沟道宽度变窄，相应的沟道电阻增大，因而ID随VDS增大而增大趋于缓慢。 当VDS增大到 时， 近漏极端的沟道被夹断（pinch off），称为预夹断。当沟道预夹断后，VDS继续增大对漏极电流ID几乎没有影响。,VGS一定时ID随VDS变化的特性,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,（3）沟道长度调制效应 实际上，沟道预夹断后，继续增大VDS ，夹断点会略向源极方向移动，导致夹断点到源极之间沟道长度略有减小，相应的沟道电阻也就略有减小，结果使ID略有增大，如上图中虚线所示。 通常将这种效应称为沟道长度调制效应，如图3-1-5所示，沟道长度L随着VDS的增大而略有减小。,图4-1-5 沟道长度调制效应,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,3. MOSFET的特性曲线 在MOSFET中，输入栅极电流是平板电容器的漏电流，其值近似为零。所以，在共源极时，MOSFET的伏安特性只需由输出特

6、性曲线簇表示： （4-1-3） 图4-1-6（a）所示是N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线族。,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,图4-1-6(a) 漏极输出特性曲线,3. MOSFET的特性曲线,由图可见，它与NPN型三极管共发射极输出特性曲线族相似，同样可划分为四个工作区，分别称为：非饱和区（可变电阻区）、饱和区(恒流区)、截止区和击穿区。,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,（1）非饱和区（或变阻区或可变电阻区） 它是导电沟道未被预夹断时的工作区。 工作条件为：VGSVGS(th)，VDSVGS-VGS(th)，如图4-1-6（a）虚线的左面部分。 （4-1-4） 式中：n为自由电子的迁移率，Cox为单位面积的栅极电容量。L为沟道长度（一般在110m），W为沟道宽度（一般为2500m）。 当VDS很小，其二次方项可忽略时，上式简化为 （4-1-5） 上式表明， ID与VDS之间呈线性关系，输出特性曲线近似为一组直线。,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,图4-1-7所示为将它们放大后的直线族。 由图4-1-7可见，VDS很小时，MO

7、SFET可看成为阻值受VGS控制的线性电阻器。根据式（4-1-5），其电阻值（用RON表示）为： 可见VGS-VGS(th)越小，RON就越大。显然，这个工作区相当于三极管的饱和区。,图4-1-7 原点附近的输出特性曲线族,4.1.1 增强型MOSFET （EMOSFET）,（2）饱和区 饱和区又称为放大区，它是导电沟道预夹断后所对应的工作区。 工作条件为： VGSVGS(th)，VDSVGS-VGS(th)，如图4-1-6（a）虚线右面部分。如果忽略沟道长度调制效应，则当VDSVGS-VGS(th)时，ID将不变，则可令VDS=VGS-VGS(th) ，代入式（3-1-4）中，得到饱和区的漏极电流为： （4-1-7） 上式表明，在这个工作区内， ID受VGS控制，而与VDS无关（忽略沟道长度调制效应时），构成受VGS控制的压控电流源。,4.1.1 增强型MOSFET （EMOSFET）,注意：MOSFET的饱和区是与三极管的放大区相对应，但MOSFET中ID与VGS之间是平方律的，三极管中IE与VBE之间是指数律的。如果考虑MOSFET中的沟道长度调制效应（曲线略向上翘），则可加入修

8、正项。 （4-1-8） 式中 称为沟道长度调制系数，其值与沟道长度L有关，L越小，相应的就越大，通常 。,（2）饱和区,4.1.1 增强型MOSFET （EMOSFET）,（2）饱和区 当考虑MOSFET的沟道长度调制效应后，其输出特性曲线族如上图，图中VA一般为30200V。 当温度 ，半导体中的电子迁移率n 减小，引起ID下降。同时衬底中的少子自由电子浓度增大而引起VGS(th)减小，从而使ID增大。 当ID不是太小时，前者的影响一般大于后者，结果使ID具有负温度特性，这种特性与三极管相反。它有利于提高MOSFET的热稳定性。,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,（2）饱和区 根据式（4-1-8）可画出VDS一定时， ID随VGS变化的曲线，如图4-1-6（b）所示，该曲线称为MOSFET的转移特性曲线。它是服从平方律关系的。,图4-1-6(b) MOSFET的 转移特性曲线,转移特性曲线 VGS对ID的控制特性,转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。 其量纲为mA/V，称gm为跨导。 gm=ID/VGSQ （mS),ID=f(

9、VGS)VDS=常数,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,图4-1-6(b) MOSFET的 转移特性曲线,4.1.1 增强型MOSFET（EMOSFET）,（3）截止区： 当VGSVGS(th)时，导电沟道没有形成，因而ID=0， MOSFET工作于截止区。 （4）击穿区 MOSFET的击穿有以下三种： 当VDS增大到足以使漏区与衬底间的PN结引发雪崩击穿时，ID迅速增大，MOSFET进入击穿区。 在沟道长度较短的MOSFET中，随着VDS增大，沟道夹断点向源区方向移动，直到夹断点移到源区时，夹断点电场就直接将源区中的电子拉到漏区，使ID迅速增大。 栅源电压VGS过大，造成SiO2绝缘层击穿，造成MOSFET的永久性损坏。 事实上，MOSFET栅极平板电容器的电容量很小，当带电物体或人靠近金属栅极时，其间产生的少量电荷就会产生大到足以击穿绝缘层的VGS=Q/C电压。 为了防止击穿，MOSFET的输入端常接入二只背靠背的稳压管。如图4-1-10所示。,图4-1-10 GS间接入保护稳压管,4.1.1 增强型MOSFET （EMOSFET）,4、衬底效应 上面讨论了衬底与源极相连时的 伏安特性曲线。 在集成电路中，许多MOSFET都制作在同一衬底上，为了保证衬底与源区、漏区之间 PN 结反偏，衬底必须接在电路的最低电位上。 如果某些MOSFET的源极不能处于电路的最低电位上，则其源极与衬底就不能相连，它们之间就会作用着负值的电压VUS或VBS。 在负值衬底电压VUS或VBS作用下，衬底中的一部分少子自由电子就要被衬底极吸引，使导电沟道中的自由电子数减少，从而引起导电沟道电阻增大，ID减小。,4.1.1 增强型MOSFET （EMOSFET）,4、衬底效应 图4-1-11所示就是在不同VUS时输出特性曲线和转移特性曲线的变化情况。由图可见： VUS与VGS一样，也具有对ID的控制作用，故又将衬底电极称为背栅极。不过VUS的控制作用远比VGS小。 事实上，VUS对ID的影响集中反映在对VGS(th)的影响上，VUS向负值方向增大，VGS(th)

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