第五章 場效應管放大電路

第五章場效應管放大電路5.1結(jié)型場效應管5.2結(jié)型場效應管放大電路5.3金屬氧化物場效應管5.4金屬氧化物場效應管放大電路場效應管(FieldEffectTransistor)

：只有一種載流子參與導電，故稱單極型三極管。利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的三極管，是電壓控制電流型器件。特點輸入電阻高，功耗低熱穩(wěn)定性好，噪聲低，抗輻射能力強制造工藝簡單、易于集成第五章場效應管放大電路N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應管分類：DSGN符號5.1結(jié)型場效應管(JunctionFieldEffectTransistor)5.1.1JFET結(jié)構(gòu)及符號N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))

在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導體中多數(shù)載流子電子可以導電。N溝道場效應管P溝道場效應管

P溝道結(jié)型場效應管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD

P溝道場效應管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號GDS5.1.2結(jié)型場效應管(JFET)工作原理

N溝道結(jié)型場效應管用改變vGS

大小來控制漏極電流ID的。(VCCS)GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。1.vGS

對導電溝道的控制作用(vDS=0)ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

vGS=0vGS=0時，耗盡層比較窄，導電溝比較寬vGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導電溝相應變窄。當vGS=VP，耗盡層合攏，導電溝被夾斷.VP為夾斷電壓ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

Vp<vGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

vGS

＜VPVGG2.vDS

漏極電流iD的影響(1)vGS

＝0當vDS=0時，iD=0ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

Vp<vGS<0VGG2.vDS

漏極電流iD的影響GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

vDS

iD

，同時G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。vGD

＝vGS

－vDS

(1)–vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)

改變vGS

，改變了PN結(jié)中電場，控制了iD

，故稱場效應管；(2)結(jié)型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應管輸入電阻很高。(c)當vDS增加到使-vGD=VP時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時vDS

夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。2.vDS

漏極電流iD的影響(VP<vGS<0)GDSNiSiDP+P+VDD當vDS=0時，iD=0vGD

＝vGS

－vDS

2.vDS

漏極電流iD的影響GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

vDS

iD

，同時G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。vGD

＝vGS

－vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)

改變uGS

，改變了PN結(jié)中電場，控制了iD

，故稱場效應管；(2)結(jié)型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應管輸入電阻很高。(c)當vDS增加到使vGD=VP時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時vDS

夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。此時飽和電流iD小于vGS=0時的飽和電流Idss.GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)

改變vGS

，改變了PN結(jié)中電場，控制了iD

，故稱場效應管；(2)結(jié)型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應管輸入電阻很高。2.vDS

漏極電流iD的影響(vGS≤VP)溝道夾斷

iD=0小結(jié)(1)當vDS使vGD

＝vGS

－vDS

>Vp情況下,d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當vDS使vGD

＝Vp時，d-s之間預夾斷(3)當vDS使vGD<Vp時，iD幾乎僅僅決定于vGS

，而與vDS

無關(guān)。此時，可以把iD近似看成vGS控制的電流源。二、結(jié)型場效應管的特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場效應管為例)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲線測試電路+mA

1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)vGS/ViD/mAIDSSVP轉(zhuǎn)移特性

結(jié)型場效應管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤vGS=0，iD

最大；vGS

愈負，iD

愈??；vGS=VP，iD

0。兩個重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(VGS=0時的ID)夾斷電壓VP(iD=0時的VGS)IDSS/ViD/mAvDS

/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)輸出特性夾斷區(qū)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲線測試電路+mA擊穿區(qū)2.輸出特性曲線

當柵源之間的電壓UGS不變時，漏極電流iD

與漏源之間電壓uDS

的關(guān)系，即(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道結(jié)型場效應管的特性曲線＊結(jié)型P溝道的特性曲線SGD轉(zhuǎn)移特性曲線iDUGS（Off）IDSSOuGS輸出特性曲線iDUGS=0V+uDS++o柵源加正偏電壓，(PN結(jié)反偏)漏源加反偏電壓。1.4.3場效應管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UP或UGS(off)3.開啟電壓UT

或UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。為增強型場效應管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場效應管一般在107以上，絕緣柵場效應管更高，一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓uGS

對漏極電流iD

的控制作用。單位：iD

毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西門子(mS)

這是場效應管三個電極之間的等效電容，包括Cgs、Cgd、Cds。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。三、極限參數(shù)3.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS4.柵源擊穿電壓U(BR)GS

由場效應管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。

場效應管工作時，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS

，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。1.最大漏極電流IDM5.3絕緣柵型場效應管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應管，或簡稱MOS場效應管。特點：輸入電阻可達109～1015。VGS=0時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管；VGS=0時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。5.3.1N溝道增強型MOS場效應管

結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極GN溝道增強型MOS場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖SGDB箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)(1)工作原理

絕緣柵場效應管利用vGS

來控制“感應電荷”的多少，改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，以控制漏極電流iD。(2)工作原理分析1)vGS=0

漏源之間相當于兩個背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，在D、S間也不可能形成電流。SBD

2)

vDS=0，0<vGS<VT

柵極金屬層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，形成由負離子組成的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道，F(xiàn)ET仍不具備導通條件，處于截止狀態(tài)。

3)

vDS=0，vGS≥VT

由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會在耗盡層和SiO2之間形成可移動的表面電荷層——反型層、N型導電溝道。

vGS

升高，N溝道變寬。因為vDS=0，所以iD=0。VT為開始形成反型層所需的VGS，稱開啟電壓。4)

vDS

對導電溝道的影響(vGS

>VT)

導電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流iD

。b.UDS=UGS–VT，

UGD=VT

靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現(xiàn)預夾斷。

由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，vDS

逐漸增大時，導電溝道兩端電壓基本不變，iD因而基本不變。a.UDS<UGS–VT，即UGD=UGS–UDS>VTc.UDS>UGS–VT，

UGD<VTA

vDS

對導電溝道的影響(a)

UGD>VT(b)

UGD=VT(c)

UGD<VT在vDS

>vGS–VT時，對應于不同的vGS就有一個確定的iD

。此時，可以把iD近似看成是vGS控制的電流源。(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性vGS<VT

，iD=0；UGS≥VT

，形成導電溝道，隨著vGS

的增加，iD

逐漸增大。(當vGS

>VT時)

三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。UT2UTIDOvGS/ViD/mAOiD/mAvDS

/VO預夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)夾斷區(qū)。VGS增加(3)特性曲線5.3.2N溝道耗盡型MOS場效應管P型襯底N+N+BGSD++++++

制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在P型襯底中“感應”負電荷，形成“反型層”。即使vGS=0也會形成N型導電溝道。++++++++++++

vGS≥0，vDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

vGS<0，絕緣層中正離子感應的負電荷減少，導電溝道變窄，iD

減??；

vGS=

VP,感應電荷被“耗盡”，iD

0。VP為夾斷電壓耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOS管特性工作條件：vDS>0；vGS

正、負、零均可。iD/mAvGS

/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS符號SGDB(b)輸出特性iD/mAvDS

/VO+1VvGS=0-3V-1V-2V432151015205.3.4P溝道MOSFET1.P溝道增強型MOS管的開啟電壓VT<0當UGS<VT

，漏-源之間應加負電源電壓管子才導通,空穴導電。2.P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VT＞0VT

可在正、負值的一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對iD的控制，漏-源之間應加負電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道種類符號轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強型SGDSGDiDvGS=0V+vDS++oSGDBvGSiDOVT各類場效應管的符號和特性曲線+vGS

=VTvDSiD+++OiDvGS=0V---vDSOvGSiDVPIDSSOvGSiD/mAVPIDSSO種類符號轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強型耗盡型IDSGDBvDSiD_vGS=0+__OiDvGSVPIDSSOSGDBIDSGDBIDiDvGSVTOiDvGSVPIDSSO_iDvGS=VTvDS_o_vGS=0V+_iDvDSo+HomeNext

例5.3.1

已知各場效應管的輸出特性曲線如圖所示。試分析各管子的類型。解:(a)iD>0（或vDS>0），則該管為N溝道；vGS0，故為JFET（耗盡型）。

(b)iD<0（或vDS<0），則該管為P溝道；vGS<0，故為增強型MOS管。

(c)iD>0（或vDS>0），則該管為N溝道；vGS可正、可負，故為耗盡型MOS管。提示：場效應管工作于恒流區(qū)：（1）N溝道增強型MOS管：VDS>0,VGS>VGS(th)>0；P溝道反之。（2）

N溝道耗盡型MOS管：VDS>0,VGS可正、可負，也可為0；P溝道反之。

（3）N溝道JFET：VDS>0,VGS<0；P溝道反之。

例5.3.2

電路如圖

(a)所示，場效應管的輸出特性如圖

(b)所示。試分析當uI=2V、8V、12V三種情況下，場效應管分別工作于什么區(qū)域。

(c)當uI=10V

時，假設(shè)管子工作于恒流區(qū)，此時iD=2mA，故uO

=uDS

=VDD-iD

Rd=18-28=2V，

uDS

-VGS(th)=2-6=-4V，顯然小于uGS

=10V時的預夾斷電壓，故假設(shè)不成立，管子工作于可變電阻區(qū)。此時，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故解:(a)當uI=2V

時，uI=uGS<VGS(th)

，場效應管工作于夾斷區(qū)，iD=0，故uO=VDD-iD

Rd=VDD=18V。

(b)當uI=8V

時，假設(shè)管子工作于恒流區(qū)，此時iD=1mA，故uO

=uDS

=VDD-iD

Rd=18-18=10V，

uDS

-VGS(th)=10-4=6V，大于uDS

=10V時的預夾斷電壓，故假設(shè)成立。例5.3.1

已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場效應管（結(jié)型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強型、耗盡型）。分析：N溝道增強型MOS管，開啟電壓VT

＝4V例1.4.2電路如左圖所示，其中管子T的輸出特性曲線如右圖所示。試分析ui為0V、8V和10V三種情況下uo分別為多少伏？分析：N溝道增強型MOS管，開啟電壓UGS(th)

＝4V解：(1)ui為0V，即uGS＝ui＝0，管子處于夾斷狀態(tài)

所以u0＝VDD

＝15V(2)uGS＝ui＝8V時，從輸出特性曲線可知，管子工作在恒流區(qū)，iD＝1mA，

u0＝uDS

＝VDD-iD

RD

＝10V(3)uGS＝ui＝10V時，若工作在恒流區(qū)，iD＝2.2mA。因而u0＝15-2.2*5

＝4V但是，uGS

＝10V時的預夾斷電壓為uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可見，此時管子工作在可變電阻區(qū)從輸出特性曲線可得uGS

＝10V時d-s之間的等效電阻(D在可變電阻區(qū)，任選一點，如圖)所以輸出電壓為

(4)由于場效應管的結(jié)構(gòu)對稱,有時漏極和源極可以互換使用,而