MOSFET放大器

　　咱们曾经细致了解了能够应用双极结型晶体管 (BJT) 制造旌旗灯号放大器。然而，另有其余范例的晶体管可用于构建放大器架构，在本教程中，咱们将重点存眷此中之一：MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。在 BJT 中，基极充任敕令旌旗灯号来操纵发射极和集电极之间的电流。在 MOSFET 中，敕令分支称为栅极，它操纵源极和漏极之间的电流。上面第一张图展示了 MOSFET 的布局：

　　图1：耗尽型NMOS布局

　　起首，咱们来界说“耗尽”和NMOS术语的寄义。这里的术语“耗尽”指的是物理通道将漏极分支连接到源极分支的究竟。这意味着电流能够经由过程 MOSFET，而无需向栅极施加电压。能够经由过程向栅极施加负电压来阻拦电流，经由过程场效应，该负电压将推进电子并吸收空穴。术语“NMOS”是指沟道是基于 P 搀杂衬底（过多空穴）顶部的 N 搀杂硅地区（过多电子）构建的。是以，MOSFET 中流过的电流为正。N 搀杂衬底顶部的 P 搀杂沟道晶体管称为 PMOS，流过此类 MOSFET 的电流为负。MOSFET 的一个无味的方面是氧化硅层在栅极和沟道之间供应完整绝缘，是以栅极中的电流被觉得为零。实际上，存在几pA (10 -12 A)的小漏电流。在图 2中，咱们展示了本教程别的部份将思量的布局：

　　图2：增强型NMOS布局
　　在这类NMOS布局中，漏极和源极分支之间没有物理内置n沟道。这类分歧的布局被称为“加强”。经由过程向栅极施加正电压复电感应沟道，经由过程场效应吸收电子并推进 p 衬底/氧化物界面的空穴。
　　电气图

　　鄙人面的图 3中，咱们展示了 MOSFET 的简略电气图。咱们在此图中界说漏极电流 I D、漏极电压 V D、栅源电压 V GS以及字母“G”、“D”和“S”提到的栅极、漏极和源极的地位。

　　图3：MOSFET电气图
　　由于源极接地，以是栅极电压V GS和漏极电压V DS带有下标“S”。请注意，平日栅极是电压源，而漏极电压只是丈量而不是施加。
　　电行动
　　特点 I D =F(V GS )

　　在本节中，咱们将描绘漏极电流在如下情况下的行动：施加漏极电压而且栅极电压变迁：ID = f( VGS )施加栅极电压而且漏极电压变迁：I D =f(V DS )咱们起首存眷如图4所示的特点 I D =f(V GS ) ：

　　图 4：特点 I D =f(V GS )

　　无味的是，正电压不会即时触发导电通道的建立，由于当 V GS < V th时没有观察到漏极电流，此中 V th代表“阈值电压”。第一个地区称为“截止”或“亚阈值”地区。在此模式下，MOSFET 充任关上的开关，不会感应输入电流。当栅极电压高于阈值V GS >V th时，漏极电流急剧回升。第二个地区称为“饱和地区”，咱们将在本教程中进一步说明缘故原由。在饱和或“举止”地区，电流损耗餍足抛物线瓜葛：

　　eq 1 : 饱和区电流损耗的表达式

　　因子 k，称为传导因子，仅取决于 MOSFET 的物理参数：漏极和源极之间传导沟道的宽度 ( W )/长度 ( L ) 之比、电子迁移率μ以及栅极C ox的金属氧化物半导体布局构成的电容：

　　eq 2 ：传导因子的表达式

　　倏地阐发这个公式以懂得 MOSFET 暗地里的物理道理是很无味的。μ、C ox和 W在份子上的地位注解，假如它们的值增大，则导通因子增大，从而电流增大。事实上，当 W 增添时，电子的门路变宽，是以电流增添。假如电子迁移率增添，电子移动得更快，这反过来又增添漏极电流。假如电容增添，因为半导体/氧化物界面处的电子浓度更高，漏极电流将会增添。最初，假如导电通道的长度增添，电流将会缩小，由于它面对更长的门路，是以电阻更高。能够从公式 1和公式 2得出一个首要参数，称为MOSFET 的跨导 (g m )，以安培/伏特或西门子 (S) 暗示。:

　　eq 3：跨导的界说
　　能够经由过程将等式 1 的差值 (V GS -V th ) 暗示为平方根来从新罗列等式 3，经由几个步调后咱们失掉：
　　eq 4：跨导的表达式
　　关于给定的MOSFET，即流动的导通增益，跨导仅取决于由图4中的特点ID = f(V GS )给出的敕令电压V GS和电流损耗I D。跨导不但能够供应 MOSFET 设置的增益，还能够供应带宽、噪声功能及其线性度。
　　特点 I D =F(V DS )

　　为了绘制第二个特点，咱们思量一组餍足 V GS ,1

　　eq 5：欧姆区电流损耗的表达式
　　线性区和饱和区之间界限由夹断电压V P =V GS -V th给出。