電子技術(shù)基礎(chǔ)課件 第五章 場效應(yīng)管及其基本放大電路

第5章場效應(yīng)三極管及其放大電路趙宏安場效應(yīng)管利用電場效應(yīng)來控制其電流的大小。只有電子或空穴導(dǎo)電，為單極型器件。輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好結(jié)型場效應(yīng)管JFETJunctionTypeFieldEffectTransistor絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFETMetal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor，制造工藝成熟，用于高密度的VLSI電路和大容量的可編程器件或存儲器場效應(yīng)管MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理。FET放大電路的三種組態(tài)：共源極、共漏極、共柵極MOSFET體積很小，在集成電路放大器中，常用來做成電流源作為偏置電路或有源負(fù)載，帶有源負(fù)載的放大電路N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)，參雜濃度高柵極g源極s漏極d5.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理導(dǎo)電溝道1.結(jié)構(gòu)5.1

結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為體內(nèi)場效應(yīng)管dgsN溝道JFET耗盡層是指該區(qū)間的載流子被電場驅(qū)趕除后，其間基本沒有可參與導(dǎo)電的自由帶電粒子PNN柵極g源極s漏極dP溝道JFETdgs2.工作原理vDS=0V時(shí)NgsdvGSiD（1）vGS對溝道及iD

的控制作用vGS絕對值越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大NNPPvGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP），耗盡區(qū)碰到一起，ds間被夾斷，這時(shí)，即使vDS

0V，漏極電流iD=0AvGS<0,PN結(jié)反偏，當(dāng)|vGS|較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度較小，存在導(dǎo)電溝道。ds間相當(dāng)于線性電阻vGS=0NgsdiD越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大，耗盡層越寬vDS達(dá)到一定值時(shí)，出現(xiàn)預(yù)夾斷，vDS=|VP

|，ID＝IDSS（2）vDS對iD

的影響vDSPPvDS繼續(xù)增大，夾斷長度增加夾斷處為耗盡層，電阻率很高，vDS降落其上，溝道上的壓降基本不變。iD基本不隨vDS增加而增加，呈恒流特性vDS達(dá)到一定值時(shí)，出現(xiàn)預(yù)夾斷，vDS=|VP

|，ID＝IDSSNgSDiDvDSvGS-+vGD-+vDS增加，溝道場強(qiáng)加大：a.有利于iD的增大b.電位梯度使導(dǎo)電溝道呈鍥形當(dāng)vDS較小時(shí)，iD隨vGD升高幾乎成正比地增大vDS繼續(xù)增加，靠近漏端的電位差最大，耗盡層最寬，當(dāng)兩耗盡層相遇時(shí)，稱為預(yù)夾斷：vGD=vGS-vDS=VPiD達(dá)到飽和電流IDSSiD/mAvDS/VIDSSvGS=0oV(BR)DS預(yù)夾斷改變柵源電壓vGS，耗盡層寬度變化，漏極電流會隨之改變，可以得到一族曲線vDS對iD

的影響有兩方面NgSDiDvDSvGS+-vGD-+iDvDS預(yù)夾斷點(diǎn)預(yù)夾斷軌跡vGS=0-0.4可變電阻區(qū)壓控電阻飽和區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)1.輸出特性5.3.2JFET的N溝道特性曲線及參數(shù)vGS<VP時(shí)，iD=0稱為截止區(qū)iD=f(vDS)│vGS=常數(shù)可變電阻區(qū)內(nèi)：RDS=VGS/ID隨VGS而變vGS/V0iD/mAIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓vDS=10V2.轉(zhuǎn)移特性iD=f(vGS)│vDS=常數(shù)vDS=8VJFET柵極與溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，柵極電流iG幾乎為零，輸入電阻較高；JFET是電壓控制電流器件，漏極電流iD受柵源電壓vGS的控制；預(yù)夾斷前，漏極電流iD與漏源電壓vDS近似成線性關(guān)系，預(yù)夾斷后，漏極電流iD趨于飽和P溝道JFET工作時(shí)，電源極性與N溝道JFET的電源極性相反溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管JFET小結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降MOS管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的，柵極處于不導(dǎo)電的狀態(tài)，輸入電阻高達(dá)1015絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFETN溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型5.1金屬－氧化物－半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)管gsdN溝道增強(qiáng)型N++NP型硅襯底源極s柵極g漏極dSiO2絕緣層兩個(gè)N區(qū)N導(dǎo)電溝道金屬鋁1.結(jié)構(gòu)B襯底引線5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFETN

溝道耗盡型gsd增強(qiáng)型是在外電場作用下，絕緣層上出現(xiàn)電荷后，在溝道內(nèi)干生出符號相反的載流子。耗盡型是在器件生成過程中預(yù)先參入大量不可移動(dòng)的離子，不加電時(shí)，即可在溝道內(nèi)感生出符號相反的載流子（即預(yù)埋導(dǎo)電溝道）gsdP

溝道增強(qiáng)型NPPgsdP

溝道耗盡型gsdNPPgsd預(yù)埋了導(dǎo)電溝道vDSvGS=0時(shí)iD=0對應(yīng)截止區(qū)MOSFET利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小PNNgsd2.工作原理d-s間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)PNNgsdvGSvGS>0時(shí)在漏源電源作用下開始導(dǎo)電時(shí)的柵源電源稱為開啟電壓VTvGS作用下，P襯底中的空穴受到電場力的排斥，形成負(fù)離子的耗盡層；同時(shí)電子被吸引到襯底表層vGS足夠大時(shí)（vGS>VT

）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道vDS在vDS作用下，產(chǎn)生漏極電流，管子導(dǎo)通導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將d-s連接起來，vGS越大電阻越小正電荷積累PNNgsdvDSvGSiD夾斷后，即使vDS

繼續(xù)增加，壓降降落在耗盡層上，即vDS的增加對iD基本無影響，iD呈恒流特性vDS增加，vGD將減小，當(dāng)vGD=vGS

–vDS=VT時(shí)，靠近d端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷隨著vDS上升，由于溝道存在電位梯度，導(dǎo)電溝道呈楔形當(dāng)vDS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。漏極電流iD隨vDS上升迅速增大3.V－I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程iD=f(vDS)|vGS=constant預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vGD=vGS

–vDS=VTvDSVGS-VT飽和區(qū)iD/mAvDS/VovGS>VT3V4V5V截止區(qū)vGS<VTID0是vGS=2VT的iDvDSVGS-VT可變電阻區(qū)原點(diǎn)附近輸出電阻oiD/mAvGS/VVTvDS=10V（2）轉(zhuǎn)移特性iD=f(vGS)|vDS=constantFET是電壓控制器件，柵極沒有電流轉(zhuǎn)移特性和輸出特性反映FET工作的同一物理過程，轉(zhuǎn)移特性可直接從輸出特性上用作圖法得到N

溝道耗盡型gsdgs+NdbN++++++++++++P型硅襯底5.1.2N溝道耗盡型MOSFET+預(yù)埋了導(dǎo)電溝道當(dāng)vGS=0時(shí)，已有導(dǎo)電溝道，加入vDS，有較大iD當(dāng)vGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加當(dāng)vGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小夾斷電壓（截止電壓）VP：加反向電壓到一定值溝道消失1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡述絕緣層摻有大量正離子vGS=

0VvDS(V)iD(mA)01324vGS=

+1VvGS=

+2VvGS=

-

1VvGS=

-

2VΔvGSΔiDgm=Δ

iD/Δ

vGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

輸出特性曲線2.V－I特性曲線及大信號特性方程iD0vGSVP對于耗盡型FET：轉(zhuǎn)移特性曲線IDSS：零柵壓的漏極電流，飽和漏極電流5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)2.夾斷電壓VP（或vGS(off)）：耗盡型MOS參數(shù)vDS為某一固定值，使iD等于一個(gè)微小的電流時(shí)，柵源之間所加的電壓1.開啟電壓VT（或vGS(th)）：增強(qiáng)型MOS參數(shù)vDS為某一固定值，使iD等于一個(gè)微小的電流時(shí)，柵源之間所加的電壓3.飽和漏極電流IDSS：vGS=0，當(dāng)vDS>|VP|時(shí)的漏極電流4.直流輸入電阻RGS：在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源直流電阻2.低頻互導(dǎo)gm互導(dǎo)反映了vGS對iD的控制能力，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性曲線上工作點(diǎn)的斜率。單位是mS或S1.輸出電阻rds十分之幾至幾mS，互導(dǎo)隨管子工作點(diǎn)不同而變幾十千歐到幾百千歐二、交流參數(shù)N溝道EMOSFET2.最大耗散功率PDM3.最大漏源電壓V(BR)DS4.最大柵源電壓V(BR)GS發(fā)生雪崩擊穿、iD

開始急劇上升時(shí)的vDS值柵源間反向電流開始急劇增加時(shí)的vGS值PDM=vDS

iD受管子最高工作溫度的限制三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM：管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值場效應(yīng)管具有體積小、重量輕、耗電省、壽命長、輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且集成度高，因此越來越廣泛的應(yīng)用于各種電子設(shè)備中BJTb

e

cFETg

s

d不能簡單的用FET取代BJT，應(yīng)注意兩者在偏置電路和微變等效電路的區(qū)別5.2MOSFET放大電路FET的3個(gè)極與BJT的3個(gè)極存在對應(yīng)關(guān)系：根據(jù)求得的VDS判斷FET工作在飽和區(qū)或可變電阻區(qū)1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD（1）簡單的共源極放大電路FET是電壓控制器件，需要有合適的柵極電壓，保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路vs+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD-VSSRsR當(dāng)NMOS管工作在飽和區(qū)在MOS管中接入源極電阻，也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用很多MOS管電路的源極電阻被電流源代替（例5.2.3）2.圖解分析VDDvOBRdgdsTiDviVGG+-+-iDvDSoVDD預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡（vGD=vGS

–vDS=VT）VDD/RdoottiDIDQVDSQidvdsviVGS=VGGQvDSVGG

>VTVDD

足夠大，場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)3.小信號模型分析輸入信號很小，F(xiàn)ET工作在飽和區(qū)，看成雙口網(wǎng)絡(luò)，N溝道EMOS第三項(xiàng)與輸入信號平方成正比，當(dāng)vi=vgs為正弦時(shí)，平方項(xiàng)使輸出電壓產(chǎn)生諧波或非線性失真小信號條件：vgs<<2(VGSQ-VT)sgdvgsgmvgsvdssgdrdsvgsgmvgsvdsid共源極NMOSFET低頻小信號模型gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsidCgs+CgbCgdCdsFET的高頻模型（b、s相連）互導(dǎo)gmvs+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD-VSSRsR例

電路如圖voRvigRdRg1||Rg2sd

Rsvs+-vs+VDDvoviBCbRg1Rg2gdsTiDRsR例：電路如圖（電壓跟隨）同相放大電壓跟隨voRvigrdsRg1||Rg2sdRsRiRsdRsgvTiTRo計(jì)算輸出電阻時(shí)，信號源置零，除去負(fù)載，在輸出端加測試源vTrdsRg1||Rg2（1）自給偏壓：利用漏極電流在源極電阻上的直流壓降該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路（N溝道結(jié)型器件電路）。增強(qiáng)型FET不能用自偏壓電路VDDvoIDviCCb2Cb1RdRggdsR5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析方法0.直流偏置電路VGS=-RID轉(zhuǎn)移特性利用VGS與ID的關(guān)系，聯(lián)立求解。解出靜態(tài)工作點(diǎn)VGS、ID、VDS（2）分壓式自偏壓電路VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds1.FET的小信號模型FET是一個(gè)電壓控制元件，當(dāng)輸入信號較小、且FET工作在恒流區(qū)，低頻共源接法下，有：寫成相量形式：與雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管也是一種非線性器件，在交流小信號情況下，也可以由它的線性等效電路—交流小信號模型來代替gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsrgsidsgdrdsvgsgmvgsvdsidrdsgmvgs=vgsrdsvdsid低頻小信號模型戴維南電源等效sgdrdvgsgmvgsvdsrgsidCgsCgdCdsFET的高頻模型VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds2.應(yīng)用小信號模型法分析FET電路共源極放大電路voRvigRg1RdRg3Rg2rdrgssd

VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2GDSRLRsvs共漏極放大電路同相放大電壓跟隨voRvigRg1RLRg3Rg2sdRsRiRRg1Rg3Rg2sdRsgvTiTRo計(jì)算輸出電阻時(shí)，信號源置零，除去負(fù)載，在輸出端加測試源vT例

共漏極放大電路。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻（1）中頻電壓增益（2）輸入電阻（3）輸出電阻(1)場效應(yīng)管放大器輸入電阻很大(2)場效應(yīng)管共源極放大器(漏極輸出)輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻=Rd(3)場效應(yīng)管源極跟隨器輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸出電阻小各種類型的MOSFET的輸出、轉(zhuǎn)移特性；共源、共漏極放大電路的分析計(jì)算小結(jié)及重點(diǎn)MOS器件主要應(yīng)用在數(shù)字集成電路方面JFET在低噪聲放大電路方面有廣泛應(yīng)用（4）焊接時(shí)，電烙鐵必須有外接地線，以屏蔽交流電場。對MOSFET，最好斷電利用烙鐵余熱焊接（1）在MOS管中，有的產(chǎn)品將襯底引出，可讓使用者視電路的需要任意連接。一般P襯底接低電位、N襯底接高電位。當(dāng)源極的電位很高或很低時(shí)，為減輕源襯間電壓對管子導(dǎo)電性能的影響，可將源極與襯底連在一起（2）從場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上看，源極和漏極是對稱的，可以互換。但有些產(chǎn)品出廠時(shí)已將源極與襯底連在一起，這時(shí)源極與漏極就不能對調(diào)（3）JFET的柵源電壓不能接反，但可以在開路狀態(tài)下保存。MOSFET柵－襯之間的電容量很小，只要有少量的感應(yīng)電荷就可產(chǎn)生很高的電壓，RGS很大，感應(yīng)電荷難于釋放，而且絕緣層很薄，極易被擊穿。無論在存放還是工作電路中，應(yīng)在柵極－源極之間提供直流通路或加雙向穩(wěn)壓對管保護(hù)，避免柵極懸空2.使用注意事項(xiàng)雙極型三極管

單極型場效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較1．場效應(yīng)管的源極s、柵極g、漏極d分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似

2．場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由vGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC3．場效應(yīng)管柵極幾乎不取電流（ig0）；而三極管工作時(shí)