5場效應管放大電路5.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管5.3結型場效應管（JFET）*5.4砷化鎵金屬-半導體場效應管5.5各種放大器件電路性能比較5.2MOSFET放大電路5.0場效應管分類1基本要求·了解MOS場效應管的工作原理、特性曲線及主要參數·掌握用小信號模型分析法分析MOSFET放大電路的動態指標·了解雙極型三極管（BJT）和場效應管兩種放大電路各自的特點5場效應管放大電路主要內容·金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管結構及工作原理·MOSFET放大電路2三端放大器件雙極結型三極管BJT（BipolarJunctionTransistor)電流控制電流雙極型器件，兩種載流子參與導電場效應管FET（FieldEffectTransistor)電壓控制電流單極型器件，僅多子導電同路控制器件旁路控制器件本章節是對三端放大器件的總結復習3耗盡型（D型）P溝道（空穴型）P溝道增強型（E型）N溝道（電子型）N溝道FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道場效應管的分類：在VDS作用下無iDP溝道N溝道耗盡型4JFET(JunctionFET）MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor)制造工藝簡單輸入阻抗大（適合做電路的輸入級）特點：熱穩定性好抗輻射能力強體積小重量輕耗電省壽命長噪聲低容易擊穿放大倍數小55.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管5.1.1N溝道增強型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長度調制效應6主體結構-襯底5.1.1N溝道增強型MOSFET1.結構（N溝道為例）一塊P型半導體薄片參雜濃度較低電阻率較高N型區制作用光刻工藝擴散對稱擴散兩個N區高摻雜N+在N區以外三處生成材料SiO2生成薄膜絕緣層很薄7安置AL電極sd5.1.1N溝道增強型MOSFET1.結構（N溝道為例）中間二氧化硅表面構成柵極g兩邊N區構成漏極d和源極s在中間二氧化硅下兩N+區之間溝道位置g結構特點左右對稱兩個背靠背PN結同樣有三個電極85.1.1N溝道增強型MOSFET1.結構（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L0.5~10μm0.5~50μm40nm溝道參數：9105.1.1N溝道增強型MOSFET1.結構（N溝道）符號D(Drain):漏極，相當cG(Gate):柵極，相當bS(Source):源極，相當eB(Substrate):襯底符號的斷續代表無電連通箭頭向內代表N溝道115.1.1N溝道增強型MOSFET2.工作原理（1）vGS對溝道的控制作用當vGS≤0時無導電溝道，

d、s間加電壓時，無電流產生。（此時P溝道不能導電子流。）當0<vGS

<VT時產生電場，但未形成導電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒有電流產生。vGS加電壓該電壓加在二氧化硅板的兩端。電壓加在二氧化硅板的兩端。GSD125.1.1N溝道增強型MOSFET2.工作原理（1）vGS對溝道的控制作用當vGS≥VT

時在電場作用下產生導電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產生。

vGS越大，導電溝道越厚VT稱為開啟電壓GSD13通過vGS電壓（>VT)使二氧化硅極板下聚集電子要點：相當與在一個N型半導體上加載電壓當然會有電流通過。N型溝道與兩端N區連通當兩端N區加載電壓時當vGS電壓>VT時使二氧化硅極板下聚集電子形成一個N型溝道。14當vGS越大，導電溝道越厚，電阻越小，同一DS電壓下形成的電流越大。152.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用

靠近漏極d處的電位升高

d端極板兩端電場強度(VGD)減小當vGS一定（vGS

>VT）時，但當vDS

iD

vGD↓vGS一定在絕緣板下形成等厚度的溝道

d端附近的溝道厚度減少整個溝道呈楔形分布GSD16當vGS一定（vGS

>VT）時，vDS

iD

溝道電位梯度

當vDS增加到使vGD=VT時，在緊靠漏極處出現預夾斷。2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用在預夾斷處：vGD=vGS-vDS

=VT17預夾斷后，vDS

夾斷區延長

溝道電阻

iD基本不變2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用夾斷后d處形成反偏PN結，P區參雜小，耗盡層小，所以維持較大的恒定漏電流。VGS-VT是溝道裕量！-大好182.工作原理（3）vDS和vGS同時作用時

vDS一定，vGS變化時給定一個vGS

，就有一條不同的iD

–vDS

曲線。與BJT不同有多條曲線-變阻與BJT輸出曲線非常相似19小結：203.

V-I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特性曲線分三個區溝道夾斷截止區無-變阻區有沒夾斷飽和區有有夾斷213.

V-I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①截止區當vGS＜VT時，導電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態。223.

V-I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②可變電阻區

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為vDS和vGS都與iD成正比rdso是一個受vGS控制的可變電阻-輸出電阻(在可變電阻區）VT

≤vGD兩者共同拉升id233.

V-I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②可變電阻區（參量的獲取）

n：反型層中電子遷移率本征電導因子其中Kn為電導常數，單位：mA/V2Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容243.

V-I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③飽和區（恒流區又稱放大區）vGS

>VT

，且vDS≥（vGS－VT）V-I特性：且預夾斷時：vDS=（vGS－VT）代入上式得：預夾斷后iD幾乎不變vGD

≤

VTiD和vDS無關FET的“直流β”溝道有且被夾斷因為此時iD不變253.

V-I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③飽和區（恒流區又稱放大區）是vGS＝2VT時的iD263.

V-I特性曲線及大信號特性方程（2）轉移特性由于柵極輸入無電流故無輸入伏安特性但有轉移特性：也可由輸出特性曲線圖中得出轉移特性可以由該公式得出表征輸入電壓對輸出電流的控制：273.

V-I特性曲線及大信號特性方程（2）轉移特性轉移特性由該公式得出也可由輸出特性曲線圖中得出與VDS無關的二次曲線，線性較好BJT有轉移特性嗎？28GSDR↓R↓VTiDVT

≤vGDVT=vGDVT

≥vGD截止iD飽和vGS控制溝道的產生，溝道產生后控制ID的大小vDS產生ID電流，在可變電阻區控制ID的大小，在飽和區幾乎與ID大小無關。vDS≥（vGS－VT）vDS

≤（vGS－VT）vDS

=（vGS－VT）295.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結構和工作原理簡述（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的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流自然感應溝道，無需加偏置電壓30設此時電壓為VP-夾斷電壓VGS上升，溝道加寬VGS下降，溝道變窄VGS下降為負，溝道繼續變窄VGS下降為負到某值時，溝道夾斷同樣有截止，變阻和飽和三個區可以工作在VGS為負315.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號特性方程

（N溝道增強型）比較vGS=VT輸出特性上移，轉移特性右移IDSS是vGS=0時的iD值IDSS—飽和漏極電流325.1.3P溝道MOSFETP溝道MOSFET也有增強型和耗盡型兩種符號的箭頭方向朝外。電流電壓方向按照電流從高電位流向低電位的原則標注VT為負VP為正iDiD低低更低更低更低更低33iDiD34橫坐標下移縱坐標左移35全用反向36P溝道增強型MOSFET-3ViD假設流入漏極可變電阻區

vGS

≤VT

vDS≥（vGS－VT）37飽和區

vGS

≤VT

vDS≤（vGS－VT）P溝道增強型MOSFET-3VKP是P溝道器件的電導參數385.1.4溝道長度調制效應飽和區的曲線并不是平的實際問題：飽和區的iD曲線隨著vDS增大而略有增大與溝道長度有關引入溝道長度調制參數λ修正后L的單位為

m-溝道長度表示iD仍受vDS的控制395.1.4溝道長度調制效應曲線應該是一個直線上式表示一個什么曲線？對確定的FET應該是一常數vDS控制iD的特性分析：405.1.4溝道長度調制效應當不考慮溝道調制效應時，

＝0，曲線是平坦的。

溝道越長，曲線越平曲線和vDS軸的交點應該和輸出曲線是什么關系？部分重合放大倍數變小Kn小415.1.5MOSFET的主要參數一、直流參數NMOS增強型考慮溝道調制效應時1.開啟電壓VT

（增強型參數）2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數）3.飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數）4.直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流參數1.輸出電阻rds

當不考慮溝道調制效應時，

＝0，rds→∞

飽和區曲線的斜率

425.1.5MOSFET的主要參數2.低頻互導gm

二、交流參數表示柵源電壓對漏源電流的控制能力-放大能力轉移特性上工作點的斜率單位：mS（毫西），

S（微西）單位vGS產生的iD大小435.1.5MOSFET的主要參數2.低頻互導gm

二、交流參數考慮到則其中等同于BJT的gm，與交流β作用類似與vGS或iD成正比445.1.5MOSFET的主要參數三、極限參數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

455.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態工作點的計算2.圖解分析3.小信號模型分析*5.2.2帶PMOS負載的NMOS放大電路46同是三端放大器件，有類似的圖解特性MOSFET放大電路的分析方法：放大電路設計和分析方法與BJT一致合理的靜態工作點Q微變等效電路求AV、Ri、Ro圖解法本章是對三端放大器件分析方法的復習總結475.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）共源極放大電路直流通路485.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區由于Ig=0，故：組態判斷同BJT是否：要求出ID和VDS只能試探是否：495.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）假設工作在飽和區，即驗證是否滿足如果不滿足，則說明假設錯誤再假設工作在可變電阻區即輸出回路方程50特性與BJT類似求解方法也類似飽和區可變電阻區輸出回路方程51假設工作在飽和區滿足假設成立，結果即為所求。解：例：設Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計算電路的靜態漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，52N溝道增強型MOS管電路靜態工作點的計算：1.假設MOS管電路工作在飽和區：則：2.使用飽和區的電壓-電流關系曲線分析靜態工作點：如果：確實滿足，電路工作在飽和區如果：不滿足3.再使用可變電阻區的電壓-電流關系曲線分析靜態工作點：電路應該滿足工作在可變電阻區則：535.2.1MOSFET放大電路（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區需要驗證是否滿足54解：設MOS管工作于飽和區，則帶入已知條件：求出：流過Rg1、Rg2的電流是ID的1/10則：I155得取標準阻值：驗證是否在飽和區：滿足56R的作用與BJT的Re作用相同：很多電路為了獲得較大的源極電阻常用電流源代替：負電源的作用是補償射極電阻或源極電阻上占用的壓降：保證放大輸出的動態范圍電流源具有較大的內阻，向電路提供有源負載負反饋-保證ID電流的穩定。575.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態工作點的計算靜態時，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS=－

VGS（飽和區）是否滿足：求出：VGS58解：vi=0vg=0柵極無電流設FET管工作與飽和區有：求VGSQ，VDSQ，Rd59滿足故假設成立，電路工作在飽和區中由于求完電路參數，一定要判斷工作區域！605.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析工作在飽和區VDD足夠大RD的作用？沒有RD會怎么樣？VD＝VDD=VDS輸出是定值加RD輸出隨ID變化而變RD將ID的變化轉換成VDS的變化-即輸出61由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同設該放大系統工作在飽和區直流負載方程：62由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同設該放大系統工作在飽和區直流負載方程：635.2.1MOSFET放大電路3.小信號模型分析（肯定工作在飽和區）（1）模型靜態值（直流）動態值（交流）非線性失真項當，vgs<<2(VGSQ-VT)時，高次項會增加新的頻率分量交流和直流量分開由于有輸入與輸出量的關系式，可以此法求動態關系645.2.1MOSFET放大電路3.小信號模型分析（1）模型

=0時高頻小信號模型65同樣也可以用雙端口的方法推導66解：先求靜態工作點：確認工作于飽和區67由于gm小FET管的Av小共源極電路是反相放大負的放大倍數683.小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s帶源極電阻電路分析693.小信號模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析（例5.2.5）s703.小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s（除掉vgs）放大倍數在輸入電阻上的分壓71723.小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏極電路分析733.小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏注意共漏極時vGS的位置共漏同共集源極跟隨器電壓增益小于1近似等于1743.小信號模型分析（2）放大電路分析!757677787980818283*5.2.2帶PMOS負載的NMOS放大電路本小節不作教學要求，有興趣者自學end845.3結型場效應管

5.3.1JFET的結構和工作原理

5.3.2JFET的特性曲線及參數

5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法855.3.1JFET的結構和工作原理1.結構#

符號中的箭頭方向表示什么？柵極正向偏置時柵極電流方向862.工作原理①vGS對溝道的控制作用當vGS＜0時（以N溝道JFET為例）當溝道夾斷時，對應的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。對于N溝道的JFET，VP<0。PN結反偏耗盡層加厚溝道變窄。

vGS繼續減小，溝道繼續變窄。vGS0V-1V-2V-3VVP872.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對溝道的控制作用當vGS=0時，vDS

iD

g、d間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。當vDS增加到使vGD=VP時，在緊靠漏極處出現預夾斷。此時vDS

夾斷區延長

溝道電阻

iD基本不變

882.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對溝道的控制作用當vGS=0時，vDS

iD

g、d間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。當vDS增加到使vGD=VP時，在緊靠漏極處出現預夾斷。此時vDS

夾斷區延長

溝道電阻

iD基本不變

892.工作原理（以N溝道JFET為例）③

vGS和vDS同時作用時當VP<vGS<0時，導電溝道更容易夾斷，對于同樣的vDS

，

iD的值比vGS=0時的值要小。在預夾斷處vGD=vGS-vDS

=VP90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，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，iD受vGS控制。預夾斷前iD與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？

JFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此iG0，輸入電阻很高。915.3.2JFET的特性曲線及參數2.