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第四章 场效应管及其基本放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析场效应管 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s s）、栅极（、栅极（g g）、漏极（）、漏极（d d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e e、b b、c c；有有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区 对应于对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作噪声小、抗辐射能力强、低电压工作一.结型场效应管符号符号结构示意图结构示意图栅极栅极漏极漏极源极源极导电导电沟道沟道栅栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 u uGSGS可以控制导电沟道的宽度，为什么可以控制导电沟道的宽度，为什么g-sg-s必须加负电压？必须加负电压？UGS（off）漏漏-源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响uGSUGS（off）且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎几乎仅仅决定于仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性转移特性场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uGDUGS（off）。uDGUGS（off）g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：-MOSFET Metal Oxide Semi-conduction Field Effect Transistor，是构成VLSI的基本元件。二.绝缘栅型场效应管MOS uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启1、P型半导体型半导体半导体的表面场效应半导体的表面场效应 2 2、半导体表面安装一平行金属板半导体表面安装一平行金属板3、随着电场的增加、随着电场的增加4 4、形成反型层、形成反型层反型层中少子的来源反型层中少子的来源:空间电荷区中晶格热振空间电荷区中晶格热振动产生的电子、空穴对，产生的电子在电动产生的电子、空穴对，产生的电子在电场作用下漂移进入反型层场作用下漂移进入反型层;与界面陷阱相关产生的电子与界面陷阱相关产生的电子 在在P P型半导体上面的金属栅上加由负到正的电压时，就可型半导体上面的金属栅上加由负到正的电压时，就可得到三种偏置状态：积累得到三种偏置状态：积累(accumulation)(accumulation)、耗尽、耗尽(depletion)(depletion)、反型反型(inversion)(inversion)。积累时硅中多数载流子堆积在硅与二氧化硅。积累时硅中多数载流子堆积在硅与二氧化硅界面，界面，耗尽状态时界面不存在载流子耗尽状态时界面不存在载流子，反型时是少数载流子堆积反型时是少数载流子堆积在界面，并使在界面，并使p p型半导体型半导体n n型化。型化。反型成为有效沟道时称为强反型，反型成为有效沟道时称为强反型，MOSMOS管正是利用半导体的这种表面效应来工作的。管正是利用半导体的这种表面效应来工作的。FETFET关键参数：关键参数：沟道长度沟道长度 L 沟道宽度沟道宽度W 栅氧化层厚度栅氧化层厚度 Tox 衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度 Nsub 源漏源漏pn结结深结结深xjVgsVdsMOS管的直流特性管的直流特性 P-Si衬底 S G D Eds Ids 1、阈值电压（开启电压）阈值电压（开启电压）形成强反型状态时的栅极电压称为阈值电压形成强反型状态时的栅极电压称为阈值电压 阈值电压阈值电压VTVT是是MOSMOS晶体管的一个重要的电参数，也是在制造工晶体管的一个重要的电参数，也是在制造工艺中的重要控制参数。艺中的重要控制参数。VTVT的大小以及一致性对电路乃至的大小以及一致性对电路乃至 集成系统集成系统的性能具有决定性的影响。的性能具有决定性的影响。影响影响MOSMOS晶的阈值电压晶的阈值电压VT VT 的因素的因素:介质的二氧化硅介质的二氧化硅(栅氧化层栅氧化层)中的电荷以及电荷的性质；中的电荷以及电荷的性质；衬底的掺杂浓度衬底的掺杂浓度;栅氧化层厚度栅氧化层厚度tOXtOX；栅材料与硅衬底的功函数；栅材料与硅衬底的功函数差。差。（铝栅的（铝栅的MSMS为为-0.3V-0.3V，硅栅为，硅栅为+0.8V+0.8V。所以硅栅。所以硅栅NMOSNMOS器件相器件相对于铝栅对于铝栅NMOSNMOS器件容易获得增强型器件）器件容易获得增强型器件）没有形成反型层，即源和漏之间无导电沟道没有形成反型层，即源和漏之间无导电沟道。VgsVtn Vtn Vds无导电沟道无导电沟道VgsVtn VgsVtn Vtn Vds=0导电沟道厚度均匀导电沟道厚度均匀VgsVgs VtnVtn，源漏电流随源漏电压源漏电流随源漏电压VdsVds变化变化VgsVtn Vtn Vds0导电沟道变薄导电沟道变薄（2 2）当）当Vds0Vds0时，时，IdsIds由由S S流向流向D D，IdsIds随随VdsVds变化基本呈线变化基本呈线 性关系，性关系，VdsVds越高，越高，IdsIds越大。越大。晶体管工作在线性状态。晶体管工作在线性状态。沟道刚好夹断，沟道刚好夹断，VgsVtn Vtn Vds=Vgs-VtnVgs-Vtn 当当Vds=Vgs-VtnVds=Vgs-Vtn时，即时，即Vg-Vd=Vtn,Vg-Vd=Vtn,衬底漏道端的栅衬底漏道端的栅衬衬电压恰好不足以行成反型层电压恰好不足以行成反型层，沟道恰夹断。，沟道恰夹断。（3 3）当）当VdsVgs-VtnVdsVgs-Vtn时，即时，即Vgs-Vtn Vds,Vgs-VtnVtn Vtn Vds Vgs-VtnVgs-Vtn（4 4）当）当 Vds Vds 增大到一定极限时，由于电压过高，晶体管被雪崩击增大到一定极限时，由于电压过高，晶体管被雪崩击穿，电流急剧增加。穿，电流急剧增加。它是利用电场效应来控制输出电流的大小，它是利用电场效应来控制输出电流的大小，使用使用MOSFETMOSFET中的注意事项中的注意事项:1.1.结构上漏极和源极可以互换，结构上漏极和源极可以互换，前提是衬底（前提是衬底（B)B)有引线有引线引出。引出。2.2.原理上原理上MOSFETMOSFET是绝缘栅输入结构，没有电荷的泄放通是绝缘栅输入结构，没有电荷的泄放通道，极易造成静电击穿。存取时尤须注意。道，极易造成静电击穿。存取时尤须注意。3.3.MOSFETMOSFET在焊接时，静电击穿的危险更大。所以无论器在焊接时，静电击穿的危险更大。所以无论器件内部是否有静电保护，均须接地良好焊接或断电后件内部是否有静电保护，均须接地良好焊接或断电后余热焊接。余热焊接。1、NMOS管的IV特性 推导NMOS管的电流电压关系式：VgsVds（1）线性区：线性区：Vgs-VtnVds 设：Vds沿沟道区线性分布则：沟道平均电压等于Vds/2由电磁场理论可知：Qc=oox EgWL 其中：tox 为栅氧厚度 o为真空介电常数 ox为二氧化硅的介电常数 W 为栅的宽度 L 为栅的长度令：令：Cox=(o ox)/tox 单位面积栅电容单位面积栅电容 K=Cox n 工艺因子工艺因子 n=K(W/L)n=K(W/L)导电因子导电因子则：则：Ids=n(Vgs-Vtn)-Vds/2VdsIds=n(Vgs-Vtn)-Vds/2Vds 线性区的电压线性区的电压-电流方程电流方程当工艺一定时，当工艺一定时，K K一定，一定，nn与（与（W/LW/L）有关。电子的平）有关。电子的平 均传输时间均传输时间 L L。（2）恒流区：恒流区：Vgs-VtnVdsVgs-VtnVdsVgs-VtnVgs-Vtn不变，不变，VdsVds增加的电压主要降在增加的电压主要降在L L上，由于上，由于L LL L，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以Vgs-Vgs-VtnVtn取代线性区电流公式中的取代线性区电流公式中的VdsVds得到得到恒流区的电流恒流区的电流 电压表达式电压表达式：Ids=n(Vgs-Vtn)-Vds/2Vds Ids=n(Vgs-Vtn)-Vds/2Vds =n =n【(Vgs-Vtn)(Vgs-Vtn)2 2-(Vgd-Vtn)-(Vgd-Vtn)2 2】-线性区线性区 -恒流恒流区区（3）截止区）截止区：Vgs-Vtn0 Ids=0（4）击穿区）击穿区：电流突然增大，晶体管不能正常工作。：电流突然增大，晶体管不能正常工作。恒流区 转移特性曲线 2、PMOS管IV特性电流电流-电压表达式：电压表达式：线性区：线性区：Isd=p|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)Isd=p|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)饱和区：饱和区：Isd=(p/2)(|Vgs|-|Vtp|)Isd=(p/2)(|Vgs|-|Vtp|)MOS管版图GSD3.场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性（1）N沟增强：(b)N沟耗尽：耗尽型NMOS管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道（C）P沟增强:（d）P沟耗尽:三、场效应管静态工作点的设置方法 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源1.基本共源放大电路2.自给偏压电路由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？3.分压式偏置电路为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路四、场效应管放大电路的动态分析近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型2.基本共源放大电路的动态分析若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mS，则，则与共射电路比较。与共射电路比较。3.基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mS，则基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?栅极电阻Rg3用于提高电路的输入电阻Ri