1、5.1 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體（半導體（MOS）場效應管）場效應管5.3 結型場效應管（結型場效應管（JFET）*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬- -半導體場效應管半導體場效應管5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較5.2 MOSFET放大電路放大電路5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導體半導體（MOS）場效應管）場效應管5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數的主要參數5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道溝道MOSFET5.1.4 溝道長度調制效應溝道長度調制效應P溝道溝道耗盡型耗盡型P溝道溝

2、道P溝道溝道N溝道溝道增強型增強型N溝道溝道N溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場效應管場效應管JFET結型結型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)耗盡型耗盡型：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型增強型：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道場效應管的分類：場效應管的分類：5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET1. 結構結構（N溝道）溝道）L ：溝道長度：溝道長度W ：溝道寬度：溝道寬度tox ：絕緣層厚度：絕緣層厚度通常通常 W L 5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET剖

3、面圖剖面圖1. 結構結構（N溝道）溝道）符號符號5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET2. 工作原理工作原理（1）vGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vGSGS00時時 無導電溝道，無導電溝道， d、s間加電壓時，也間加電壓時，也無電流產生。無電流產生。當當00vGSGS V VT T ）時，）時，vDSDS iD D 溝道電位梯度溝道電位梯度 整個溝道呈整個溝道呈楔形分布楔形分布當當vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T ）時，）時，vDSDS iD D 溝道電位梯度溝道電位梯度 當當vDSDS增加到使增加到使vGDGD= =V VT T 時，時，在緊靠漏極處出現預夾斷

4、。在緊靠漏極處出現預夾斷。2. 工作原理工作原理（2）vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用在預夾斷處：在預夾斷處：vGDGD= =vGSGS- -vDSDS = =V VT T預夾斷后，預夾斷后，vDSDS 夾斷區延長夾斷區延長溝道電阻溝道電阻 iD D基本不變基本不變2. 工作原理工作原理（2）vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用2. 工作原理工作原理（3） vDS和和vGS同時作用時同時作用時 vDSDS一定，一定，vGSGS變化時變化時 給定一個給定一個vGSGS ，就有一條不，就有一條不同的同的 iD D vDSDS 曲線曲線。3. V-I 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號

5、特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程）輸出特性及大信號特性方程const.DSDGS)( vvfi 截止區截止區當當vGSVT時，導電溝道尚時，導電溝道尚未形成，未形成，iD0，為截止工，為截止工作狀態。作狀態。3. V-I 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程）輸出特性及大信號特性方程const.DSDGS)( vvfi 可變電阻區可變電阻區 vDS（vGSVT） )(22DSDSTGSnDvvv VKi由于由于vDS較小，可近似為較小，可近似為DSTGSnD )(vvVKi 2常數常數 GSDDSdsoddvvir)(TGSnVK v21rdso

6、是一個受是一個受vGS控制的可變電阻控制的可變電阻 3. V-I 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程）輸出特性及大信號特性方程 可變電阻區可變電阻區 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n ：反型層中電子遷移率：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容化層單位面積電容本征電導因子本征電導因子oxnnCK LWCLWKK22oxnnn其中其中Kn為電導常數，單位：為電導常數，單位：mA/VmA/V2 23. V-I 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及

7、大信號特性方程）輸出特性及大信號特性方程 飽和區飽和區（恒流區又稱放大區）（恒流區又稱放大區）vGSGS VT ，且，且vDSDS（v vGSGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2VT時的時的iD D V V- -I I 特性：特性：3. V-I 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程（2）轉移特性）轉移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET1. 結構和工作原理簡述結構和工作原理簡述（N溝道）溝道）二氧化硅絕緣層中摻

8、有大量的正離子二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子 可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET2. V-I 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N溝道增強型）溝道增強型）5.1.3 P溝道溝道MOSFET5.1.4 溝道長度調制效應溝道長度調制效應實際上飽和區的曲線并不是平坦的實際上飽和區的曲線并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的單位為的單位為 m1V 1 . 0 L

9、當不考慮溝道調制效應時，當不考慮溝道調制效應時， 0 0，曲線是平坦的。，曲線是平坦的。 修正后修正后5.1.5 MOSFET的主要參數的主要參數一、直流參數一、直流參數NMOSNMOS增強型增強型1. 1. 開啟電壓開啟電壓V VT T （增強型參數）（增強型參數）2. 2. 夾斷電壓夾斷電壓V VP P （耗盡型參數）（耗盡型參數）3. 3. 飽和漏電流飽和漏電流I IDSSDSS （耗盡型參數）（耗盡型參數）4. 4. 直流輸入電阻直流輸入電阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流參數二、交流參數 1. 1. 輸出電阻輸出電阻r rdsds GSDDSdsVir v

10、D12TGSnds1)(iVKr v當不考慮溝道調制效應時，當不考慮溝道調制效應時， 0 0，rdsds 5.1.5 MOSFET的主要參數的主要參數DS GSDmVigv 2. 2. 低頻互導低頻互導g gm m 二、交流參數二、交流參數 考慮到考慮到 2TGSnD)(VKi v則則DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWCK 2oxnn其中其中5.1.5 MOSFET的主要參數的主要參數end三、極限參數三、極限參數 1. 1. 最大漏極電流最大漏極電流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDM

11、DM 3. 3. 最大漏源電壓最大漏源電壓V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大柵源電壓最大柵源電壓V V（BRBR）GSGS 5.2 MOSFET放大電路放大電路5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態工作點的計算直流偏置及靜態工作點的計算2. 圖解分析圖解分析3. 小信號模型分析小信號模型分析*5.2.2 帶帶PMOS負載的負載的NMOS放大電路放大電路5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態工作點的計算直流偏置及靜態工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路）簡單的共源極放大電路（N溝道）溝道）共源極放大電路共源極放大電路直流通路直流通路5.2.

12、1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態工作點的計算直流偏置及靜態工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路）簡單的共源極放大電路（N溝道）溝道）DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假設工作在飽和區，即假設工作在飽和區，即)(TGSDSVVV 驗證是否滿足驗證是否滿足)(TGSDSVVV 如果不滿足，則說明假設錯誤如果不滿足，則說明假設錯誤須滿足須滿足VGS VT ，否則工作在截止區，否則工作在截止區再假設工作在可變電阻區再假設工作在可變電阻區)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 2假設工作在飽和區假

13、設工作在飽和區滿足滿足)(TGSDSVVV 假設成立，結果即為所求。假設成立，結果即為所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12()2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)152 . 05(dDDDDSQ RIVV例：例：設設Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ，220V/mA.n K試計算電路的靜態漏極電流試計算電路的靜態漏極電流IDQ和漏源和漏源電壓電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態工作點的計算直流偏置及靜態工作點的計算（2）帶源極電阻的）帶源極

14、電阻的NMOS共源極放大電路共源極放大電路2)(TGSnDVVKI 飽和區飽和區需要驗證是否滿足需要驗證是否滿足)(TGSDSVVV SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態工作點的計算直流偏置及靜態工作點的計算靜態時，靜態時，vI0 0，VG 0 0，ID I電流源偏置電流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI （飽和區）（飽和區） 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路2. 圖解分析圖解分析由于負載開路，交流負由于負載開路，交流負載線與直流負

15、載線相同載線與直流負載線相同 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路3. 小信號模型分析小信號模型分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK （1）模型）模型DQI gsmvg 2gsnvK 靜態值靜態值（直流）（直流）動態值動態值（交流）（交流）非線性非線性失真項失真項 當當，vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )時，時，DQDIi gsmvg dDQiI 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路3. 小信號模型分析小信號模型分析（1）模型）模型DQDIi gsmvg dD

16、QiI gsmdvgi 0 0時時高頻小信號模型高頻小信號模型3. 小信號模型分析小信號模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VmS1 mS)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大電路分析）放大電路分析（例（例5.2.5）s3. 小信號模型分析小信號模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析（例（例5.2.5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siisiiososRRRAA vvvvvv

17、vvs3. 小信號模型分析小信號模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析（例（例5.2.6）)|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)()|(1)|( siidsmdsmsiiososRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏3. 小信號模型分析小信號模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析g2g1i| | RRR mdsmdstto1| | 111grRgrRiR v*5.2.2 帶帶PMOS負載的負載的NMOS放大電路放大電路本小節不作教學要求，有興趣者自學本小節不作教學要求，有興趣者自學end5.3 結型場效應管結

18、型場效應管 5.3.1 JFET的結構和工作原理的結構和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數的特性曲線及參數 5.3.3 JFET放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法 5.3.1 JFET的結構和工作原理的結構和工作原理1. 結構結構 2. 工作原理工作原理 vGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vGS0時時（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） 當溝道夾斷時，對應當溝道夾斷時，對應的柵源電壓的柵源電壓vGS稱為稱為夾斷夾斷電壓電壓VP （ 或或VGS(off) ）。）。對于對于N溝道的溝道的JFET，VP 0。PN結反偏結反偏耗盡層加厚耗盡層加厚溝道變窄。溝道變

19、窄。 vGS繼續減小，溝道繼續減小，溝道繼續變窄。繼續變窄。2. 工作原理工作原理（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vGS=0時，時， vDS iD g、d間間PN結的反向結的反向電壓增加，使靠近漏極電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形變窄，從上至下呈楔形分布。分布。 當當vDS增加到使增加到使vGD=VP 時，在緊靠漏時，在緊靠漏極處出現預夾斷。極處出現預夾斷。此時此時vDS 夾斷區延長夾斷區延長溝道電阻溝道電阻 iD基本不變基本不變2. 工作原理工作原理（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） vGS

20、和和vDS同時作用時同時作用時當當VP vGS0 時，導電溝道更容易夾斷，時，導電溝道更容易夾斷，對于同樣的對于同樣的vDS ， iD的值比的值比vGS=0時的值要小。時的值要小。在預夾斷處在預夾斷處vGD=vGS- -vDS =VP 綜上分析可知綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電， 所以場效應管也稱為單極型三極管所以場效應管也稱為單極型三極管。 JFET是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件，iD受受vGS控制。控制。 預夾斷前預夾斷前iD與與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，呈近似線性關系；預夾斷后， iD趨于飽和。趨于飽和。 JFE

21、T柵極與溝道間的柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因結是反向偏置的，因 此此iG 0，輸入電阻很高。，輸入電阻很高。5.3.2 JFET的特性曲線及參數的特性曲線及參數const.DSDGS)( vvfi2. 轉移特性轉移特性 const.GSDDS)( vvfi1. 輸出特性輸出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)與與MOSFET類似類似3. 主要參數主要參數5.3.2 JFET的特性曲線及參數的特性曲線及參數5.3.3 JFET放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法1. JFET小信號模型小信號模型（1）低頻模型）低頻模型（2）高頻模型）高頻模型2. 動態指標分析動態指標分析（1 1）中頻小信號模型）中頻小信號模型2. 動態指標分析動態指標分析（2）中頻電壓增益）中頻電壓增益（3）輸入電阻）輸入電阻（4）輸出電阻）輸出電阻忽略忽略 rds ， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 |iiRR 由輸入輸出回路得由輸入輸出回路得則則giiiRv )|(g2g1g3RRR )|()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常則則)|(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvvvv end*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬