第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路§4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)體器件，是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型和MOS型兩種，結(jié)型包括N溝溝道和P溝道，MOS型也包括N溝道和P溝道兩種，它們分別包含了增強(qiáng)型和耗盡型。1. N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來(lái)控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)

2、，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結(jié)正偏或正偏時(shí)柵極電流方向。 （1）VGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響：(a) VGS=0，VDS=0,ID=0VP(VGS(OFF) )：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結(jié)，RGS>107，所以IG=0  (b) 0<VGS< VP(c) |VGS | = VP ，VGS耗盡層變寬導(dǎo)電溝道被全夾斷 （2）VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，時(shí) (a) VDS增加，d端電位高，s端電位低，導(dǎo)電溝道內(nèi)存在電位梯度，所以耗盡層上端變寬。VDS ID    &#

3、160; (b)| VGS- VDS | = | VP |時(shí)，導(dǎo)電溝道在a點(diǎn)相遇，溝道被夾斷。VGS=0時(shí)，產(chǎn)生夾斷時(shí)的ID稱為漏極飽和電流IDSS       (c) VDS夾端長(zhǎng)度場(chǎng)強(qiáng) ID=IDSS基本不變。    輸出特性: 表示VGS一定時(shí)，iD與VDS之間的變化關(guān)系。(1) 截止區(qū)（夾斷區(qū)） 如果VP= -4V， VGS= -4V以下區(qū)域就是截止區(qū) VGS VP ID=0    (2) 放大區(qū)（恒流區(qū)）產(chǎn)生夾斷后，VDS增大，ID不變

4、的區(qū)域VGS -VDS VP VDSID不變處于恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源   (2) 飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）未產(chǎn)生夾斷時(shí)，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域VGS -VDSVP VDSID處于飽和區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控可變電阻  轉(zhuǎn)移特性 : 表示vDS一定時(shí)，iD與vGS之間的變化關(guān)系。   轉(zhuǎn)移特性描述了在VDS一定時(shí)，VGS對(duì)iD的控制作用?？芍苯訌妮敵鎏匦郧€上做圖求出。當(dāng)|VGS - VDS | | VP |后，管子工作在恒流區(qū)，VDS對(duì)iD的影響很小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)|VGS - VDS | | VP |

5、時(shí)，iD可近似表示為： §4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于1000000000。 增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道，在VDS作用下無(wú)iD。耗盡型：VGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道，在VDS作用下iD。1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào)（以N溝道增強(qiáng)型為例）在一塊濃度較低的P型硅上擴(kuò)散兩個(gè)濃度較高的N型區(qū)作為漏極和源極，半導(dǎo)體表面覆蓋二氧化硅絕緣層并引出一個(gè)電極作為柵極。 其他MOS管符號(hào)2. 工作原理（以N溝道增強(qiáng)型為例）(1) VGS=0時(shí)，不管VDS

6、極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，所以不存在導(dǎo)電溝道。VGS =0， ID =0VGS必須大于0管子才能工作。   (2) VGS>0時(shí)，在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。當(dāng)VGS達(dá)到一定值時(shí)P區(qū)表面將形成反型層把兩側(cè)的N區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道。VGS >0g吸引電子反型層導(dǎo)電溝道VGS反型層變厚 VDS ID  (3) VGSVT時(shí)而VDS較小時(shí)：VDSID VT：開啟電壓，在VDS作用下開始導(dǎo)電時(shí)的VGS°VT = VGS VDS   (4) V

7、GS>0且VDS增大到一定值后，靠近漏極的溝道被夾斷，形成夾斷區(qū)。VDSID 不變    3. 特性曲線（以N溝道增強(qiáng)型為例）場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線動(dòng)畫4.其它類型MOS管（1）N溝道耗盡型：制造時(shí)在柵極絕緣層中摻有大量的正離子，所以即使在VGS=0時(shí)，由于正離子的作用，兩個(gè)N區(qū)之間存在導(dǎo)電溝道（類似結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管）。其它類型MOS管（2）P溝道增強(qiáng)型：VGS = 0時(shí)，ID = 0開啟電壓小于零，所以只有當(dāng)VGS < 0時(shí)管子才能工作。（3）P溝道耗盡型：制造時(shí)在柵極絕緣層中摻有大量的負(fù)離子，所以即使在VGS=0 時(shí)，由于負(fù)離子的作用，兩個(gè)P區(qū)之間存在

8、導(dǎo)電溝道（類似結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管）。5. 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1) 開啟電壓VT ：在VDS為一固定數(shù)值時(shí)，能產(chǎn)生ID所需要的最小 |VGS | 值。（增強(qiáng)）(2) 夾斷電壓VP ：在VDS為一固定數(shù)值時(shí)，使 ID對(duì)應(yīng)一微小電流時(shí)的 |VGS | 值。（耗盡）(3) 飽和漏極電流IDSS ：在VGS = 0時(shí)，管子發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。（耗盡）(4) 極間電容 ：漏源電容CDS約為 0.11pF，柵源電容CGS和柵漏極電容CGD約為13pF。(5) 低頻跨導(dǎo) gm ：表示VGS對(duì)iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm 是曲線在某點(diǎn)上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為 S 或 mS。(6)

9、最大漏極電流 IDM (7) 最大漏極耗散功率 PDM (8) 漏源擊穿電壓 V(BR)DS 柵源擊穿電壓 V(BR)GS 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào), 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。幾種常用的場(chǎng)效

10、應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表 場(chǎng)效應(yīng)管總結(jié) 場(chǎng)效應(yīng)管總結(jié)(MOS)N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型 場(chǎng)效應(yīng)管總結(jié)(J)N溝道耗盡型P溝道耗盡型§4.3 場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=Vp 0<|Vp|<VdddddTp:p溝道增強(qiáng)型，Tn:n溝道增強(qiáng)型Vi=+Vdd時(shí)：Tp:VGSp=0>Vp ，截止 Tn:VGSn=Vdd>Vp ，導(dǎo)通Vo= 0Vi= 0時(shí)：Tp:VGSp=-Vdd<Vp ，導(dǎo)通Tn:VGSn=0<Vp ，截止Vo= +Vdd   例2：壓控電阻場(chǎng)效應(yīng)管工作在

11、可變電阻區(qū)時(shí)，iD隨VDS的增加幾乎成線性增大，而增大的比值受VGS控制。所以可看成是受VGS控制的電阻。§4.4 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型已知場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：求全微分:其中： 低頻跨導(dǎo)可從輸出曲線上求出aaaaa漏極與源極間等效電阻 一般rds很大，可忽略，得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型: 2. 共源極放大電路以NMOS增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為例三極管與場(chǎng)效應(yīng)管三種組態(tài)對(duì)照表：電路組成比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個(gè)解電路的問題了。圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負(fù)

12、載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對(duì)應(yīng)。而且只要結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源間PN結(jié)是反偏工作，無(wú)柵流，那么JFETMOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。 直流分析直流分析：VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R)解出VGS、ID和VDS。 直流通路交流分析s微變等效電路3 共漏極放大電路 與三極管共集電極電路對(duì)應(yīng)  直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出VGS、ID和