1、思考：思考：3-1習題：習題：3-3、3-4、3-7、3-11理解場效應管的工作原理；理解場效應管的工作原理；掌握場效應管的外特性及主要參數；掌握場效應管的外特性及主要參數； 掌握場效應管放大電路靜態工作點與動態參數掌握場效應管放大電路靜態工作點與動態參數（Au、Ri、Ro）的分析方法。）的分析方法。通過外部電壓對導電溝道的控制作用說明結型通過外部電壓對導電溝道的控制作用說明結型場效應管及絕緣柵型場效應管的工作原理。場效應管及絕緣柵型場效應管的工作原理。 N溝道結型場效應管是在同一塊N型半導體上制作兩個高摻雜的P區。N溝道結構示意圖溝道結構示意圖SiO2N源極源極S柵極柵極G漏極漏極D NNP

2、P 將它們連接在一起引出電極柵極G。N型半導體分別引出漏極D、源極S。 P區和N區的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導電溝。 N溝道符號溝道符號dsgdsgP溝道符號溝道符號結型場效應管有結型場效應管有N溝道溝道和和P溝道溝道兩種類型兩種類型。d耗盡層耗盡層sgP+N導電溝道導電溝道結構示意圖結構示意圖 若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導電溝道的寬度，便實現了利用電壓所產生的電場控制導電溝道中電流強弱的目的。 在N型硅材料兩端加上一定極性的電壓，多子在電場力的作用下形成電流ID。 這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實現了UGS對溝道電流ID的控制。d耗盡層耗盡層sgP+

3、N導電溝道導電溝道結構示意圖結構示意圖正常工作時：正常工作時： 在柵-源之間加負向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓) 漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流） 當UGS=0時，耗盡層很窄,導電溝道寬。 隨| UGS |增大，耗盡層增寬，溝道變窄，電阻增大。 | UGS |增加到某一數值,耗盡層閉和,溝道消失,溝道電阻趨于無窮大。 | UGS |增加到某一數值，耗盡層閉和，溝道增加到某一數值，耗盡層閉和，溝道消失，溝道電阻趨于無窮大。定義此時消失，溝道電阻趨于無窮大。定義此時UGS的的值為值為 dsgUDSID 當當 UDS =0時，雖有導時，雖有導電溝道，但電溝道，但ID為零。為零。 當當UDS

4、 0時時，產生，產生ID，但但，近，近漏漏極電壓最大，近源極電極電壓最大，近源極電壓最小。壓最小。 導電溝道寬度不再相導電溝道寬度不再相等，近漏極溝道窄，近等，近漏極溝道窄，近源極溝道寬。源極溝道寬。dsgUDSID 隨著UDS增加，柵-漏電壓|UGD|增加，近漏端溝道進一步變窄。 只要漏極附近的耗盡區不出現相接， 隨著UDS 的增加， ID線性增加。UDSdsgAID 隨著UDS增加，當UGD = UGS - UDS = UGS（off）時,靠近漏極出現夾斷點。 稱UDSdsgAID 預夾斷之后，UDS 再增加，預夾斷延伸,夾斷區長度增加（AA）。夾斷區的阻力增大。 此時的此時的ID稱為稱為

5、“飽和漏極飽和漏極電流電流IDSS”A UGS 增加，使導電溝道變窄，、間的正電壓使溝道不等寬。dsgUDSUGSID。此時可以把。此時可以把ID近近似看成似看成UGS控制的電流源。控制的電流源。 dsgUDSUGSID（未出現夾斷前），對于不（未出現夾斷前），對于不同的同的UGS ，漏源之間等效成不同阻值的電阻，漏源之間等效成不同阻值的電阻， ID隨隨UDS 的增加的增加 線性線性增加增加。（。（）。 ID幾乎只決定于幾乎只決定于UGS，而與而與UDS 無關，可以把無關，可以把ID近似看成近似看成UGS控制的電流源。控制的電流源。 （）（輸出特性和轉移特性）ID = f (UDS )UGS

6、= 常數常數（因場效應管柵極電流幾乎（因場效應管柵極電流幾乎為零，不討論輸入特性。）為零，不討論輸入特性。）IDUDS（ （預夾斷軌跡：通過連接（預夾斷軌跡：通過連接各曲線上各曲線上UGD= UGS（off）的的點而成。）點而成。） IDUDSIDUDS 導電溝道全部夾斷。導電溝道全部夾斷。 條件：條件：UGS UGS（off） 特點：特點： ID 0 UDS增加到一定程度，電流增加到一定程度，電流急劇增大。急劇增大。IDUDSID = f (uGS )UDS = 常數常數 由半導體物理分析可得恒由半導體物理分析可得恒流區流區ID近似表達式為：近似表達式為：2)()1 (offGSGSDSSD

7、UuII30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12 （管子工作在可變電阻區（管子工作在可變電阻區時，不同的時，不同的uDS ，轉移特性，轉移特性曲線有很大差別。）曲線有很大差別。）30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12432104812UGS =0V3V4V輸出特性輸出特性轉移特性轉移特性123 1V20123 uGS / VUGs(off) uDS / ViD /mAiD /mA44柵柵-源電壓為零時無導電溝道的管子稱為源電壓為零時無導電溝道的管子稱為增強型。增強型。柵柵-源電壓為零時已建立導電溝道的管子稱為源電壓為零時已建立導電溝道的

8、管子稱為耗盡型。耗盡型。 N溝道（溝道（ N MOS） 增強型增強型 耗盡型耗盡型 P溝道（溝道（ P MOS） 增強型增強型 耗盡型耗盡型 絕緣柵型場效應管采用絕緣柵型場效應管采用sio2絕緣層隔離，柵極為絕緣層隔離，柵極為金屬鋁，又稱為金屬鋁，又稱為MOS管。管。 通常通常襯底和源極連接襯底和源極連接在一起使用。在一起使用。P型硅襯底型硅襯底源極源極S 柵極柵極G漏極漏極D 襯底引線襯底引線BN+N+SiO2 柵極和襯底各相當于柵極和襯底各相當于一個極板，中間是絕緣一個極板，中間是絕緣層，形成電容。層，形成電容。 柵柵-源電壓改變時，將源電壓改變時，將改變襯底靠近絕緣層處改變襯底靠近絕緣層

9、處感應電荷的多少，從而感應電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。控制漏極電流的大小。DBSGN溝道符號溝道符號DBSGP溝道符號溝道符號P襯底襯底BN+N+SGD D與與S之間是兩個之間是兩個PN結結反向串聯，無論反向串聯，無論D與與S之之間加什么極性的電壓，間加什么極性的電壓， ID =0。P耗盡層耗盡層襯底襯底BN+N+SGD 由于絕緣層由于絕緣層SiO2的存的存在，柵極電流為零。柵極在，柵極電流為零。柵極金屬層將聚集大量正電荷，金屬層將聚集大量正電荷，排斥排斥P型襯底靠近型襯底靠近SiO2的的空穴，形成耗盡層。空穴，形成耗盡層。P襯底襯底BN+N+SGD反型層反型層。 耗盡層增寬耗盡層增寬

10、,將襯底的自由將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層電子吸引到耗盡層與絕緣層之間。形成之間。形成N型薄層，稱為型薄層，稱為反型層。這個反型層就構成反型層。這個反型層就構成了漏源之間的導電溝道。了漏源之間的導電溝道。 UGS越大，反型層越厚，越大，反型層越厚，導電溝道電阻越小。導電溝道電阻越小。 將產生一定的漏極將產生一定的漏極電流電流ID 。溝道中各點溝道中各點對柵極電壓不再相等，對柵極電壓不再相等，導電溝道寬度不再相導電溝道寬度不再相等，沿源等，沿源-漏方向逐漸漏方向逐漸變窄。變窄。 ID隨著的隨著的增加而線增加而線性增大。性增大。P襯底襯底BN+N+SGDP襯底襯底BN+N+SGD 隨著隨著

11、UDS的增大，的增大， UGD減小，減小，當當UDS增大到增大到UGD 時時 ，導電溝道在漏極一端產生夾斷，導電溝道在漏極一端產生夾斷，稱為稱為。 P襯底襯底BN+N+SGD 若若UDS繼續增大，夾斷區繼續增大，夾斷區延長。漏電流延長。漏電流ID幾乎不變化，幾乎不變化，管子進入恒流區。管子進入恒流區。ID幾乎僅幾乎僅僅決定于僅決定于UGS 。此時可以把此時可以把。恒流區恒流區擊穿區擊穿區可變電阻區可變電阻區4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)輸出特性輸出特性轉移特性轉移特性 UDS / VID /mA夾斷區夾斷

12、區2)()1(thGSGSDODUUIIUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mA 制造時制造時, ,在在sio2絕緣層中摻入絕緣層中摻入大量的正離子大量的正離子, ,即使即使UGS=0=0，在，在正離子的作用下，源正離子的作用下，源- -漏之間也漏之間也存在導電溝道。只要加正向存在導電溝道。只要加正向 ，就會產生，就會產生ID。結構示意圖結構示意圖P源極源極S漏極漏極D 柵極柵極GBN+N+正離子正離子反型層反型層SiO2 只有當只有當小于某一值時，才會小于某一值時，才會使導電溝道消失，此時的使導電溝道消失，此時的稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓 。dN溝道符號溝道符號B

13、sgP溝道符號溝道符號dBsgDBSGN溝道符號溝道符號DBSGP溝道符號溝道符號耗盡型耗盡型MOS管符號管符號增強型增強型MOS管符號管符號432104812UGS =1V2V3V輸出特性輸出特性轉移特性轉移特性1230V101 2123 UGS / V ID UGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mANMOS耗盡型PMOS耗盡型場效應管的符號及特性場效應管的符號及特性NMOS增強型PMOS增強型場效應管的符號及特性場效應管的符號及特性P溝道結型N溝道結型場效應管的符號及特性場效應管的符號及特性 測得某放大電路中三個MOS管的三個電極的電位及它們的開啟電壓

14、如表所示。試分析各管的工作狀態（截止區、恒流區、可變電阻區）。管號管號UGS(th)/VUS/VUG/V UD/V工作狀態工作狀態T14-513T2-43310T3-4605恒流區恒流區截止區截止區可變電阻區可變電阻區 UDS為固定值能產生漏極電流為固定值能產生漏極電流ID所需的柵所需的柵-源電壓源電壓UGS的的最小值最小值,它是它是增強型增強型MOS管的參數管的參數。（。（NMOS管管為正，為正，PMOS管為負）管為負） UDS為固定值使漏極電流近似等于零時所需的柵為固定值使漏極電流近似等于零時所需的柵-源源電壓。是電壓。是結型場效應管和耗盡型結型場效應管和耗盡型MOS管管的參數（的參數（N

15、MOS管為負，管為負， PMOS管為正）。管為正）。 柵柵- -源電壓與柵極電流的比值，其值很高源電壓與柵極電流的比值，其值很高, ,一般為一般為107-1010左右。左右。 對于對于耗盡型耗盡型MOS管管,在在UGS =0情況下產生情況下產生 預夾斷時預夾斷時的漏極電流。的漏極電流。gm= iD / uGS UDS =常數常數 gm是衡量柵是衡量柵-源電壓對漏極電流控制能力的一源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數。個重要參數。 管子工作在恒流區并且管子工作在恒流區并且 UDS為常數時，漏極電流為常數時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵的微變量與引起這個變化的柵-源電壓的微變量之比源電壓的

16、微變量之比稱為低頻跨導稱為低頻跨導,即即 rds反映了反映了UDS對對ID的影響，是輸出特性曲線上的影響，是輸出特性曲線上Q點處點處切線斜率的倒數切線斜率的倒數 rds在在恒流區很大。恒流區很大。常數GSUDDSdsiur管子正常工作時漏極電流的上限值。管子正常工作時漏極電流的上限值。 管子進入恒流區后，使漏極電流驟然增加的管子進入恒流區后，使漏極電流驟然增加的UDS稱為漏稱為漏-源擊穿電壓。源擊穿電壓。 對于結型場效應管，使柵極與溝道間反向擊穿對于結型場效應管，使柵極與溝道間反向擊穿的的UGS稱為柵稱為柵-源擊穿電壓。源擊穿電壓。 對于絕緣柵型場效應管，使絕緣柵層擊穿的對于絕緣柵型場效應管，

17、使絕緣柵層擊穿的UGS稱為柵稱為柵-源擊穿電壓。源擊穿電壓。 PDM決定于管子允許的溫升。決定于管子允許的溫升。 1.場效應管場效應管利用柵源電壓控制漏極電流，利用柵源電壓控制漏極電流，是電是電壓控制元件壓控制元件，柵極基本不取電流（很小），柵極基本不取電流（很小），輸入，輸入回路電阻很大回路電阻很大； 晶體管晶體管利用基極電流控制集電利用基極電流控制集電極電流，極電流，是電流控制元件是電流控制元件，基極索取一定電流，基極索取一定電流，輸入阻抗較小輸入阻抗較小。 場效應管的柵極場效應管的柵極g g、源極、源極s s、漏極、漏極d d對應于晶體對應于晶體管的基極管的基極b b、發射極、發射極e

18、e、集電極、集電極c c，能實現對信號，能實現對信號的控制。的控制。2. 晶體管的放大倍數通常比場效應管大。3. 場效應管只有多子導電，而晶體管多子和少子均參與導電，場效應管比晶體管熱穩定性好、抗輻射能力強。4. 場效應管比晶體管噪聲系數小。5. 場效應管源極、漏極可以互換使用，互換后特性變化不大；而晶體管的發射極和集電極互換后特性差異很大,一般不能互換使用。6. 場效應管的種類比晶體管多，特別對于耗盡型MOS管，柵-源控制電壓可正可負，均能控制漏極電流。7.MOS管的柵極絕緣，外界感應電荷不易泄放。8. 場效應管和晶體管均可用于放大電路和開關電路，但場效應管具有集成工藝簡單，工作電源電壓范圍

19、寬，耗電省、低功耗等特點，目前越來越多的應用于集成電路中。能實現對信號的控制；三種組態相對應；分析方法相同。 為實現放大，對FET，在柵極回路加適當偏壓；而對BJT則加適當的偏流。 場效應管放大電路也必須建立合適的靜態工作點，保證有輸入信號時工作在恒流區。 此電路形式只適用此電路形式只適用于耗盡型于耗盡型MOSMOS器件。器件。 靜態時靜態時RG的電流近的電流近似為零，靠源極電阻似為零，靠源極電阻上的電壓為柵上的電壓為柵-源提供源提供一個負偏壓。一個負偏壓。（ 柵極電流為柵極電流為0）2)()1 (offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU)(sDDQDDDSQRRIVU

20、（耗盡型（耗盡型MOS管管的電流方程）的電流方程）電路結構電路結構直流通路直流通路sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU2122)() 1(thGSGSDODQUUII（柵極電流為（柵極電流為0）IDQ UGSQ)(SDDQDDDSQRRIVU（增強型（增強型MOS管管的電流方程）的電流方程）求靜態靜態工作點作5 . 0，1場效應管的,18,30,2,10,47,2圖示電路中，:例）（21mAIVUVVkRkRMRkRMRDSSoffGSDDDSGGG22)()11 (5 . 0)1 (GSQoffGSGSQDSSDQUUUIIsDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212解

21、：解：（求靜態，（求靜態，電容開路）電容開路）。DQGSQGSQDQIUUI24 . 0)1 (5 . 02VUVUmAImAIDSGSQDQDQ1 . 822. 031. 0所以)64. 095. 0(（本例（本例IDQ不應大于不應大于IDSS)(,)DGSDSif uuDSUDSDGSUGSDDuuiuuiiGSDSddd求全微分求全微分 與分析晶體管的h參數等效模型相同，將場效應管也看成兩端口網絡。11DSGSDmGSUDDSdsUdmgsdsdsiguiurIg UUr令低頻小信號模型是輸出回路電流與輸入回路電壓之比，稱跨導,電導量綱。是描述MOS管輸出特性曲線上翹程度的參數，等效為電

22、阻，在幾十幾百千歐之間。通常 rds可視為開路。dsdsgsmdUrUgI1。sdg.UgsgmUgsmDO DQGS(th)2gIIUDQDSSoffGSmIIUg)(2耗盡型（結型）：耗盡型（結型）：增強型：增強型：Q點不僅影響電路是否失點不僅影響電路是否失真真,還影響動態參數。還影響動態參數。微變等效電路微變等效電路/OdLuigsmgsLmLgsLDLUI RAUUg U Rg RURRR GiRR DoRR 例33圖3-14電路中令CS和RL開路，.1,10,2,2,100,30021mSgkRkRMRkRkRmDSGGG計算u、Ri和Ro圖3-14解：先畫出微變等效電路解：先畫出微變等效電路12/2.075iGGGRRRRMkRRDo10共源電路的電壓增益比共射共源電路的電壓增益比共射電路小，輸入電阻大。電路小，輸入電阻大。3.31gsOmDugsigsmSmDmDUg URAUUg URg Rg R 微變