MOS管新课堂PPT.ppt

第五章第五章 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道沟道器件和空穴作为载流子的P沟道沟道器件场效应管：结型N沟道P沟道 MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型1§5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管MOSFET( Metal OxideMOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)Semiconductor FET) 又称绝缘栅型场效应管，绝缘栅型场效应管，它是一种利用半导体表面电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD21. 1. 结构和符号结构和符号 N沟道增强型沟道增强型MOSFET结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain): 漏极，漏极， 相当相当c G(Gate): 栅极，栅极， 相当相当b S(Source): 源极，相当源极，相当eB(Substrate):衬底衬底§5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET32. 工作原理工作原理(a)(a)V VGSGS=0=0时时，无导电沟道，无导电沟道 漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。

a) VGS =0，， ID =0 VGS必须大于必须大于0 管子才能工作管子才能工作1）栅源电压）栅源电压VGS的控制作用的控制作用4 （b）） 0＜＜VGS＜＜ VT （（ VT 称为开称为开 启电压启电压) 在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子 但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID0＜＜VGS＜＜VT ，， ID=05(c) VGS＞＞VT时时此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成N沟道如果此时VDS>0，就可以形成漏极电流ID在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加这种在VGS =0时没有导电沟道，依靠栅源电压的作用而形成感生沟道的FET称为增强型增强型FETVGS >0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS  反型层变厚反型层变厚 VDS   ID  6（（2 2）漏源电压）漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用（（a a）如果）如果V VGSGS＞＞V VT T且固定为某一值，且固定为某一值， V VGDGD= =V VGSGS－－V VDSDS V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时， VGD=VGS－VDS ＞VT，沟道分布如 图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

这时，ID随VDS增大VDS  ID  7（（b）当）当VDS增加到使增加到使VGD=VT时时沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用8（（2 2）漏源电压）漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用VDS  ID 不变不变（c）当VDS增加到VGDVT时沟道如图所示此时预夹断区域加长，向S极延伸 VDS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93.输出特性曲线输出特性曲线 vDS /V iD(1) (1) 截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS< VT以下区域就是截止区V VGSGS＜＜ V VT T I ID D=0=0(2) (2) 可变电阻区可变电阻区未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域V VGS GS -V-VDS DS    V VP P   V VDSDSI ID D 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻V-I特性近似为：10其中其中本征导电因子本征导电因子为反型层中电子迁移率为栅极氧化层单位面积电容 vDS /V iD在特性曲线原点附近所以可变电阻区内原点附近输出电阻为：为受控于VGS的可变电阻11(3) (3) 放大区放大区产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，V VDS DS   V VGS GS - - V VT T V VDSDSI ID D不变不变处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源在预夹断临界条件下VDS =VGS - VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：它是时的12 ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线 iD vGS /VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线 vDS /V iD•4.转移特性曲线转移特性曲线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。

gm 的量纲为mA/V，称为跨导 gm=ID/VGS VDS135.1.2 N5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在14沟道长度调制效应沟道长度调制效应        MOSFET中,栅极下导电沟道预夹断后，若继续增大VDs，夹断点会略向源极方向移动导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使iD增大，这种效应称为沟道长度调制效应 5.1.2 5.1.2 沟道长度调制效应沟道长度调制效应15各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型16各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型175.1.5 MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数1、开启电压VT ：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的 最小 |VGS | 值。

增强）2、夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值耗尽）3、饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流耗尽）4、极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF一、直流参数一、直流参数18场效应管的主要参数场效应管的主要参数 2、 低频互导 gm ：表示vGS对iD的控制作用在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS二、交流参数二、交流参数1、输出电阻不考虑沟道调制效应时为0考虑时为191、 最大漏极电流 IDM 2、 最大漏极耗散功率 PDM 3、 最大漏源电压 V(BR)DS 最大栅源电压 V(BR)GS 由V-I特性估算 因为则三、极限参数三、极限参数20场效应三极管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。

例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格例如CS14A、CS45G等21几种常用的场效应三极管的主要参数见表225.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2. 图解分析图解分析3. 小信号模型分析小信号模型分析235.2.1 简单共源极放大电路的直流分析简单共源极放大电路的直流分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－－v0＋＋＋＋＋＋－－viCb2＋＋步骤步骤——直流通路直流通路VGIDVS5.2 MOSFET放大电路放大电路1 假设假设MOS管工作于饱和区，则有管工作于饱和区，则有 VGSQ>VT，，IDQ>0，，VDSQ>VGSQ-VT2 利用饱和区的利用饱和区的V-I曲线分析电路：曲线分析电路：3 如果出现如果出现VGS

管可能工作在可变电阻区 4 如果初始假设被证明是错误的，则必须作新的假如果初始假设被证明是错误的，则必须作新的假 设，同时重新分析电路设，同时重新分析电路24245.2.1 简单共源极放大电路的直流分析简单共源极放大电路的直流分析（（1）） 直流通路直流通路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－－v0＋＋＋＋＋＋－－viCb2＋＋VGIDVSVGS= VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VDS= VDD－－IDRd若若NMOS工作于饱和区，则工作于饱和区，则 若计算的若计算的VDS>VGS-VT，则说明，则说明NMOS确工作于饱确工作于饱和区；若和区；若VDS

若流过若流过Rg1, Rg2的电流是的电流是ID的的1/10，试确定，试确定Rg1, Rg2的值解解.作出直流通路，并设作出直流通路，并设MOS工作在饱和工作在饱和区，则由：区，则由：即即 0.5＝＝0.5(VGS-1)2流过流过Rg1、、Rg2的电流为的电流为0.05mAVSRsvs+-VGIDv0得得 VGS= 2V2727gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋＋＋＋－－viCb2＋＋R－－Vss例例.如图，设如图，设VT=1V, Kn=500μA/V2 , VDD=5V, -VSS=-5V, Rd=10K, R=0.5K, Id=0.5mA 若流过Rg1, Rg2的电流是的电流是ID的的1/10，试确定，试确定Rg1, Rg2的值解解.作出直流通路，并设作出直流通路，并设MOS工作在饱和工作在饱和区，则由：区，则由：VSRsvs+-VGIDv0Rg2=45K、、Rg1=155K判断假设的正确性：判断假设的正确性：VDS= (VDD+VSS)－－ID(Rd+R)=4.7V则有：则有：VDS> (VGS-VT)=2-1=1V说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。

2828gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－－v0＋＋＋＋＋＋－－viCb2＋＋静态值：静态值：VGSQ、、IDQ、、VDSQ外加信号电压波形：外加信号电压波形：ωtvi因为：因为：vGS=VGSQ+vi所以所以vGS的波形为的波形为：：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiD IDQ IDQ1 IDQ20负载线方程：负载线方程：：：iD=- +VDDvDSRdRd是一条过是一条过(VDD,0)和和(0,VDD/RD)的直线的直线5.2.3 NMOS共源极放大电路的图解分析共源极放大电路的图解分析5.2 MOSFET放大电路放大电路2929vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRd1Q2viIDQvDSωtωtVDSQ5.2.3 NMOS共源极放大电路的图解分析共源极放大电路的图解分析5.2 MOSFET放大电路放大电路30301.NMOS管的管的小小信号模型信号模型双端口双端口 网络网络gsdsvgsvdsid工作在饱和区的工作在饱和区的漏极电流漏极电流iD:IDQid＝＝gmvgs谐波分量越小越谐波分量越小越好，一般取为好，一般取为0。

ig＝＝0,输入端相当于开路；输入端相当于开路；id＝＝gmvgs，输出回路等效成一个电压控制电流源输出回路等效成一个电压控制电流源gm=2Kn(VGSQ-VT)5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路3131场效应管输出特性表达式：场效应管输出特性表达式：求全微分求全微分:漏极与源极间等效电导，相当于输出特漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线斜率的倒数，为无穷大性曲线斜率的倒数，为无穷大其中：其中：为低频跨导为低频跨导,是转移特性曲线是转移特性曲线Q点的斜率点的斜率5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路双端口双端口 网络网络gsdsvgsvdsid变化量变化量由该式可得到场效应管的微变等效电路由该式可得到场效应管的微变等效电路1.NMOS管的管的小小信号模型信号模型3232漏极与源极间等效电导，相当于输出特漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线斜率的倒数，为无穷大性曲线斜率的倒数，为无穷大为低频跨导为低频跨导,是转移特性曲线是转移特性曲线Q点的斜率点的斜率5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路双端口双端口 网络网络gsdsvgsvdsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因因rds很大，可忽略，很大，可忽略，得简化小信号模型得简化小信号模型:可得到场效应管放大电路的微变等效电路可得到场效应管放大电路的微变等效电路1.NMOS管的管的小小信号模型信号模型33335.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路2. 场效应管放大电路的微变等效电路场效应管放大电路的微变等效电路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－－v0＋＋＋＋＋＋－－viCb2＋＋ 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路：小信号模型：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd34345.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路2. 场效应管放大电路的微变等效电路场效应管放大电路的微变等效电路 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路：小信号模型：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)电压放大倍数电压放大倍数(2)输入电阻输入电阻 Ri=Rg1//Rg2(3)输出电阻输出电阻 R0=Rd3535gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－－v0＋＋＋＋＋＋－－viCb2＋＋R 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路： 小信号模型：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路2. 场效应管放大电路的微变等效电路场效应管放大电路的微变等效电路(1)电压放大倍数电压放大倍数(2)输入电阻输入电阻 Ri=Rg1//Rg2(3)输出电阻输出电阻R0=Rd3636gdsBVDDRdRg1Rg2id＋＋－－viCb2＋＋Cb2v0＋＋＋＋Cb2v0＋＋＋＋R 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路： 小信号模型：小信号模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)电压放大倍数电压放大倍数取取rds为无穷时：为无穷时：(2)输入电阻输入电阻Ri=Rg1//Rg2(3)输出电阻输出电阻R0=R//rds//gm1推推 导导5.2.5 NMOS共漏极放大电路的小信号模型共漏极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路3737dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg输出电阻输出电阻R0的计算：的计算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR +ir -gmvgs5.2.5 NMOS共漏极放大电路的小信号模型共漏极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路3838例例.Rg1=60K，，Rg2=40K，，Rd=15K，，VDD=5V，，VT=1V，，n=0.2mA/V2，，RL=15K计算计算IDQ、、VDSQ；；Av、、Ri、、R0。

vi解解.若管子工作在饱和区，则若管子工作在饱和区，则=0.2×(2-1)2=0.2mA可见可见:说明管子工作在饱和区说明管子工作在饱和区.3939(1)电压放大倍数电压放大倍数gm=2Kn(VGS-VT) =2×0.2× (2-1)=0.4mS(2)输入电阻输入电阻Ri=Rg1//Rg2=60//40=24K(3)输出电阻输出电阻R0=Rd=15K+-vi例例.Rg1=60K，，Rg2=40K，，Rd=15K，，VDD=5V，，VT=1V，，n=0.2mA/V2，，RL=15K计算计算IDQ、、VDSQ；；Av、、Ri、、R0解解.4040模型模型41§5. 3 结型场效应管结型场效应管(Junction type Field Effect Transister) 5.3.1 5.3.1 结型场效应管的结构和符号结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。

箭头方向表示栅结正偏箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向或正偏时栅极电流方向425.3.2 5.3.2 工作原理工作原理ID（（1））VGS对导电沟道的影响：VP(VGS(OFF) )：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS>107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流N沟道结型场效应管工作原理：沟道结型场效应管工作原理：43(c) |VGS | =  VP  ，导电沟道被全夹断(b) 0< VGS <  VP  VGS  耗尽层变宽VGS控制导电沟道的宽窄，即控制控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小44（（2）） VDS对对iD的影响的影响VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，时(a) VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽VDS ID  ID45工作原理工作原理(b)| VGS- VDS | = | VP |时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断。

VGS=0时，产生夹断时时，产生夹断时的的ID称为漏极饱和电流称为漏极饱和电流IDSSID46工作原理工作原理(c) VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变ID475.3.2 JFET5.3.2 JFET的特性曲线的特性曲线VDS=10V时的转移特性曲线IDSS是在VGS = 0， VDS > |VP |时的漏极电流 当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，iD可近似表示为：48①输出特性曲线恒流恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性： 输入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响用途:可做放大器和恒流源条件:(1)源端沟道未夹断 (2)源端沟道予夹断 49可变电阻区可变电阻区特点特点: :(1)(1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。

（2）管压降vDS 很小用途：用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关条件：源端与漏端沟道都不夹断 50夹断区夹断区 用途：做无触点的、接通状态 的电子开关条件：整个沟道都夹断 特点：51②②转移特性曲线转移特性曲线输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制525.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1. JFET小信号模型小信号模型（（1）低频模型）低频模型535.3.3 应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析JFET放大电路放大电路1. 直流偏置电路直流偏置电路（（1）分压式自偏压电路）分压式自偏压电路（（2）自偏压电路）自偏压电路vGSvGS = 0 －－ iDR552. 动态指标分析动态指标分析（（1 1）低频小信号模型）低频小信号模型562. 动态指标分析动态指标分析（（2）低频电压增益）低频电压增益（（3）输入电阻）输入电阻（（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rD由输入输出回路得由输入输出回路得则则通常通常则则57双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较58。