《電子技術(shù)基礎(chǔ)》第四章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

1、第四章第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 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溝道溝道器件和空穴作為載流子的P溝道溝道器件。場(chǎng)效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道 MOS型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型4.1 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管( Insulated Gate Field Effect Transister)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET有稱金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)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

2、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109。增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間沒(méi)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（以N溝道增強(qiáng)型為例）溝道增強(qiáng)型為例） N溝道增強(qiáng)型MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S,在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個(gè)電極作為GD(Drain):漏極，相當(dāng)漏極，相當(dāng)c G(Gate):柵極，相當(dāng)柵極，相當(dāng)b S(Source):源極，相當(dāng)源極，相當(dāng)eB(Subs

3、trate):襯底襯底結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)2. 工作原理（以N溝道增強(qiáng)型為例）(a) VGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。 VGS =0， ID =0VGS必須大于必須大于0管子才能工作。管子才能工作。（1）柵源電壓）柵源電壓VGS的控制作用的控制作用（1）柵源電壓VGS的控制作用 （b）當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0VGSVGS(th) （ VT 稱為開(kāi)啟電壓)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。 但由于電場(chǎng)強(qiáng)度有限，吸引到絕緣層的少子電子數(shù)量有限，不足以形成

4、溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。0VGSVT ， ID=0（1）柵源電壓VGS的控制作用(c)進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVT時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成溝道。如果此時(shí)VDS0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，ID增加VGS 0g吸引電子吸引電子反型層反型層導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道VGS 反型層變厚反型層變厚 VDS ID 柵源電壓柵源電壓VGS的的控制作用動(dòng)畫(huà)控制作用動(dòng)畫(huà)（2）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作

5、用（a）如果VGSVT且固定為某一值，VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDSVDS為0或較小時(shí)， VGD=VGSVDS VT，溝道分布如圖，此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時(shí)，ID隨VDS增大。VDS ID （2 2）漏源電壓）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的控制作用的控制作用（2）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用（b）當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱為預(yù)夾斷。（2）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用VDS ID 不變不變（c）當(dāng)VDS增加到VGDVT

6、時(shí)，溝道如圖所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，向S極延伸。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變漏源電壓漏源電壓VDS對(duì)對(duì)溝道的影響動(dòng)畫(huà)溝道的影響動(dòng)畫(huà) ID=f(VGS)VDS=const轉(zhuǎn)移特性曲線 iD vGS /VID=f(VDS)VGS=const輸出特性曲線 vDS /V iD3. 特性曲線（以N溝道增強(qiáng)型為例）值時(shí)的是在恒流區(qū)，DTGSDTGSDDivIVvIiV2 ) 1-(020轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，稱為跨導(dǎo)。 gm=ID/VGS VDS=const 輸出特性曲線 vDS /V

7、iD(1) (1) 截止區(qū)（夾斷區(qū)）截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS |VP |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。場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(5) 低頻跨導(dǎo) gm ：表示vGS對(duì)iD的控制作用。DSGSDmVvdidg =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) 最大漏極電流 IDM (8) 漏源擊穿電壓 V(BR)DS 柵源擊穿電壓 V(BR)GS (7) 最大漏極耗散功率 PDM 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

8、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)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見(jiàn)表幾種常用的場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見(jiàn)表 參 數(shù) 型號(hào) PDM mW IDSS mA VRDS V VRGS V VP V gm mA/ V fM MHz 3DJ2D 100 20 20 -4 2 300 3DJ7E 100

9、 20 20 -4 3 90 3DJ15H 100 611 20 20 -5.5 8 3DO2E 100 0.351.2 12 25 1000 CS11C 100 0.31 -25 -4 2 4. 2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Junction type Field Effect Transister) 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)，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

10、方向。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)2. 工作原理ID（1）VGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響：VP(VGS(OFF) )：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結(jié)，RGS107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏的條件下。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：工作原理(c) |VGS | = VP ，導(dǎo)電溝道被全夾斷(b) 0 VGS 0 但|VGS-VDS| |VP |時(shí)的漏極電流2 )-1 (PGSDSSDVvIi 當(dāng)|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流區(qū)，vD

11、S對(duì)iD的影響很小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)|vGS - vDS | | VP | 時(shí)，iD可近似表示為：場(chǎng)效應(yīng)管總結(jié)雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管雙極型三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型結(jié)型耗盡型 N溝道 P溝道絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道 P溝道絕緣柵耗盡型 N溝道 P溝道C與E一般不可倒置使用D與可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移控制電流控制電流源CCCS()電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成4.3 場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用場(chǎng)

12、效應(yīng)管應(yīng)用例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0|VT|VT ，截止 Tn:VGSn=VddVT ，導(dǎo)通Vo= 0Vi= 0時(shí)：Tp:VGSp=-VddVT ，導(dǎo)通Tn:VGSn=0VT ，截止Vo= +VddTnsViTpsVoViVo+VddTpTn場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用例2：壓控電阻場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(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。20K5Vd+_vovivivo4.4 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型共源極放大電路共漏極放大電路共柵組態(tài)基本放大電路4.4.1 場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型DSdsGSmDdvrdvgdi

13、1),(=DSGSDvvfi已知場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：DSVDSDGSVGSDDdvvidvvidiGSDS求全微分:dsVDSDrviGS1漏極與源極間等效電阻dsdsgsmVrVgId1變化量mVGSDgviDS其中： 低頻跨導(dǎo),可從輸出曲線上求出場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型一般rds很大，可忽略，得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型:4.4.2 共源極放大電路以NMOS增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為例三極管共射極(b)共集電極(c)共基極(b)場(chǎng)效應(yīng)管 共源極(s)共漏極(d)共柵極(g)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(huà)出，就是

14、一個(gè)解電路的問(wèn)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)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JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。直流分析（估算法）直流通路 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。交流分析微變等效電路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIRRiiig1g2/ /.doo=R

15、IVRoisivsRRRRgALm4.4.3 共漏極放大電路 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VDS。與三極管共集電極電路對(duì)應(yīng)直流通路：交流分析)/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sosivvsiivsRRAARRRVVA輸出電阻RgRgRIVRVVgRVVgRVImmooogsomogsmoo11/1/4.4.4 共柵極放大電路RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVI

16、VRLmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv例題例題1 共源共源已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：靜態(tài)分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入?yún)?shù)得：3ID2-7ID+3=0IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V+vi -C10.01uQRg10MR2KRd15KRL18KC20.1uC310uVDD18V+vo -例題例題1解解動(dòng)態(tài)分析：Ri=Rg=10MRo=Rd=15KLdLLgsmogsmgsiRRRRVgVRVgVV/53

17、. 11)/(mLmgsmgsLgsmioRgRgRVgVRRVgVVAv例題例題2 多級(jí)放大電路多級(jí)放大電路已知： VBE=0.6V, =120, gm=3mA/V, VP=-2V, IDSS=4mA+vi -Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-解：靜態(tài)分析：VGS=-RsIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入?yún)?shù)得：4ID2-9ID+4=0ID=0.61mA ID=1.64mA（舍去）VGS=-1.22V VDVCC-IDRd=5.85V（忽略IB2）IE2= (VDVBE2)/(Re1+Re2)=0.26mAVC2VCC-IE2RC2=11.88V（忽略IB3）IE3= (VC2VBE3)/Re3=3.13mA VCE2VC