第四章：場效應(yīng)管及放大電路

第五章場效應(yīng)管放大電路1N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應(yīng)管分類：2§4.1結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)場效應(yīng)管又稱單極型晶體管，與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:3N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極（1）結(jié)構(gòu)1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理導(dǎo)電溝道4NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS5PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS6PGSDVDSVGSNN（2）工作原理（以P溝道為例）NNPN結(jié)反偏，VGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。VDS=0時(shí)7VDS=0時(shí)PGSDVDSVGSNNNNVGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。但當(dāng)VGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。8PGSDVDSVGSNNVDS=0時(shí)VGS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，漏極電流是ID=0。9PGSDVDSVGSNN越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大UDS較小時(shí)VGS<Vp且VDS較大時(shí)VGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀10PGSDVDSVGSNN溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。UDS較小時(shí)VGS<Vp且VDS較大時(shí)VGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀11GSDVDSVGSNN漏端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。VDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。VDS增大時(shí)12GSDVDSVGSVGS<VpVGD=VP時(shí)NN此時(shí)，電流ID基本不隨VDS的增加而增加，呈恒流特性。13分析:（1）柵極電壓vGS反偏，利用改變vGS的大小，改變耗盡層的厚度，從而控制漏極電流的大小。體現(xiàn)了壓控原理：由vGS控制iD。14（2）漏極電壓vDS對iD有影響vDS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道等寬。vDS0時(shí)，導(dǎo)電溝道不等寬。夾斷條件預(yù)夾斷：vGD=VP(夾斷電壓）

全夾斷：vGS=VP夾斷前：vDSiD管子呈現(xiàn)恒阻性夾斷后：vDSiD

幾乎不變管子呈現(xiàn)恒流性壓控電阻放大區(qū)15vGS0iDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線一定vDS下的iD-vGS曲線2.P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及參數(shù)16予夾斷曲線iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線017N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP18輸出特性曲線iDvDS0vGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線191.N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管（MOSFET)（1）結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)PNNGSDP型襯底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層§4.2金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管20PNNGSD金屬鋁導(dǎo)電溝道GSDN溝道增強(qiáng)型21N溝道耗盡型PNNGSD在絕緣層中摻有大量的正離子GSD22NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型23P溝道耗盡型NPPGSDGSD在絕緣層中摻有大量的負(fù)離子24（2）MOS管的工作原理以N溝道增強(qiáng)型為例PNNGSDVDSVGS25VGSPNNGSDVDSVGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對應(yīng)截止區(qū)26VGSPNNGSDVDSVGS>0時(shí)VGS足夠大時(shí)（VGS>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里以電子導(dǎo)電為主出現(xiàn)N型的導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為閾值電壓27VGSPNNGSDVDSVGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，VGS越大此電阻越小。28VGSPNNGSDVDS當(dāng)VDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)VDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。29VGSPNNGSDVDSVDS增加，VGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。夾斷后ID呈恒流特性。ID30分析:（1）柵極電壓vGS正偏；利用vGS大小改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制iD的大小。vGS=0時(shí)vGS>0到vGSVT時(shí)無溝道iD=0導(dǎo)電溝道形成iD0vGS

溝道變寬iD

vGS

溝道變窄iD

31（2）漏極電壓vDS對iD有影響vDS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道等寬。vDS0時(shí)，導(dǎo)電溝道不等寬。夾斷條件vGD=VT(開啟電壓）夾斷前：vDSiD管子呈現(xiàn)恒阻性夾斷后：vDSiD

幾乎不變管子呈現(xiàn)恒流性壓控電阻放大區(qū)32（3）耗盡型MOSFET特點(diǎn)事先在絕緣層與襯底加一定的正電荷或負(fù)電荷，使外加的vGS可正可負(fù)。332.增強(qiáng)型N溝道MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT34輸出特性曲線iDvDS0vGS>035耗盡型N溝道MOS管的特性曲線耗盡型的MOS管VGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT36輸出特性曲線iDvDS0vGS=0vGS<0vGS>037總結(jié)場效應(yīng)管的特點(diǎn)：場效應(yīng)管為壓控電流器件。輸入電阻很高

J型106~109

J型1015只有一種載流子導(dǎo)電

N溝道為電子

P溝道為空穴稱單極型晶體管，故熱穩(wěn)定性好。38制造工藝簡單，易于集成。柵極面積大，高頻特性不好。39§4.3場效應(yīng)管的主要性能參數(shù)1.直流參數(shù)：VP-耗盡型(夾斷電壓)VT-增強(qiáng)型(開啟電壓)IDSS-耗盡型(飽和漏電流)RGS(直流輸入電阻)V(BR)DSV(BR)GS反向電壓PDM=iDvDS(功耗)402.動(dòng)態(tài)參數(shù)：互導(dǎo)動(dòng)態(tài)電阻值很大極間電容噪聲系數(shù)413.使用時(shí)應(yīng)注意的問題J型——vGS不能接反。IG型——存放時(shí)三個(gè)電極不能開路。焊接時(shí)不能帶電（烙鐵外皮必須接地）。IG型襯底的處理應(yīng)妥善：N襯底接高電平P襯底接低電平外接好的，與源極相連42§4.4場效應(yīng)管放大電路電路的組成原則及分析方法(1).靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使FET工作在恒流區(qū)，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。(2).動(dòng)態(tài):能為交流信號(hào)提供通路。組成原則靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動(dòng)態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法43場效應(yīng)管放大電路分共源極放大電路共漏極放大電路共柵極放大電路重點(diǎn)介紹441.場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)分析(1)共源極JFET直流偏置電路

自偏壓電路+-vi+-vo+Cb2C+Cb1gdsRg0.01uF10MR2k47uF30kRd4.7uFVDD18V直流通路圖+gdsRg10MR2k30kRdVDD18V45+gdsRg10MR2k30kRdVDD18V直流通路圖電路特點(diǎn):柵電壓是自給的（只適用于耗盡型），即不外加電壓時(shí)也有一定的漏電流。46分壓器式自偏壓電路+VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V++0.01uF47uF4.7uF+-+-+VDDRRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V直流通路圖47電路特點(diǎn):柵極電壓是通過分壓獲得的,適用于耗盡型和增強(qiáng)型。+VDDRRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V直流通路圖48(2)靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

公式計(jì)算法+VDDRRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V直流通路圖根據(jù)求得VGS、ID和VDS49dsg+-vGS+-vDSiD若場效應(yīng)管工作在小信號(hào)狀態(tài)，則對該式取全微分：為無限小的信號(hào)增量，將它們用有限增量代替idvgsvds2.場效應(yīng)管放大電路的小信號(hào)模型分析法(1)小信號(hào)模型

50dsg+-vGS+-vDSiDidvgsvds跨導(dǎo)漏極輸出電阻51dsg+-vGS+-vDSiD+-+-rdsgdFET低頻小信號(hào)模型52(2)應(yīng)用小信號(hào)模型法分析場效應(yīng)管放大電路共源極JFET電路組成小信號(hào)模型sgdRdRg2Rg1Rg3+-+-rd+-R+VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds++-+-53sgdRdRg2Rg1Rg3+-+-rd+-R中頻電壓增益輸入與輸出反相54sgdRdRg2Rg1Rg3+-+-rd+-R輸入電阻輸出電阻55共漏極JFET電路組成小信號(hào)模型+VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2gds++-+RLRs