第5章場效應(yīng)管及放大器

5.1結(jié)型場效應(yīng)管

5.1.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：5場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管與晶體管不同，它是利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。這種器件不僅兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，場效應(yīng)管中是多子（一種）導(dǎo)電（單極性器件）。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同場效應(yīng)管有兩種:結(jié)型場效應(yīng)管JFET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N溝道P溝道N溝道JFETP溝道JFET動(dòng)畫(JFET的結(jié)構(gòu)）

N溝道JFET，是在一根N型半導(dǎo)體棒兩側(cè)通過高濃度擴(kuò)散制造兩個(gè)重?fù)诫sP++型區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)，將兩個(gè)P++區(qū)接在一起引出一個(gè)電極，稱為柵極(Gate)，在兩個(gè)PN結(jié)之間的N型半導(dǎo)體構(gòu)成導(dǎo)電溝道。在N型半導(dǎo)體的兩端各制造一個(gè)歐姆接觸電極，這兩個(gè)電極間加上一定電壓，便在溝道中形成電場，在此電場作用下，形成由多數(shù)載流子——自由電子產(chǎn)生的漂移電流。我們將電子發(fā)源端稱為源極(Source)，接收端稱為漏極(Drain)。在JFET中，源極和漏極是可以互換的。5.1.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓(vGS)對溝道(iD)的控制作用②當(dāng)vGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，│vGS│↑時(shí)

耗盡層加厚溝道變窄（溝道電阻增大）。vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。③當(dāng)│vGS│到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏，此時(shí)稱溝道夾斷，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為

夾斷電壓VP

（或VGS(off)

）。對于N溝道的JFET，VP<0。。定義：夾斷電壓Vp——

使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓vGS。

在柵源間加負(fù)電壓vGS

，令vDS

=0

①當(dāng)vGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。vGSiD=0耗盡層P+P+Nds+-gvGSiD=0耗盡層耗盡層P+P+Nds+-gvGSiD=0耗盡層耗盡層P+P+ds+-g（2）漏源電壓(vDS)對溝道(iD)的控制作用

在漏源間加電壓vDS

，當(dāng)vGS

=0

由于vGS

=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)vDS=0時(shí)，

iD=0。②v

DS↑→iD

↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，溝道呈楔形分布。③當(dāng)vDS繼續(xù)增大

，使vGD=vGS-vDS=VP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷，。預(yù)夾斷前，

vDS↑→iD

↑。預(yù)夾斷后，

vDS↑→iD

幾乎不變。④v

DS再繼續(xù)增大↑→夾斷區(qū)延長（預(yù)夾斷點(diǎn)下移）→溝道電阻↑→iD

基本不變。vGSiD=0耗盡層P+P+Nds+-VDDvDS+-gvGSiD=0Nds+-耗盡層P+P+VDDvDS+-gvGSiD=0Nds+-耗盡層P+P+AVDDvDS+-gvGSiD=0Nds+-耗盡層P+P+VDDvDS+-g

（3）柵源電壓vGS和漏源電壓vDS共同作用當(dāng)VP

<vGS<0時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對于同樣的vDS

，iD的值比vGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處vGD=vGS-vDS=VP

動(dòng)畫(工作原理）綜上分析可知①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。③JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制④預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多②JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因此iG

0，輸入電阻

很高。？②電流飽和區(qū)(Ⅱ)（恒流區(qū)）：預(yù)夾斷后。

特點(diǎn)：1.輸出特性曲線：

iD=f（v

DS）│vGS=常數(shù)

5.1.3結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線③擊穿區(qū)(Ⅲ)。④夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

v

GS<VP（即溝道全夾斷），此種情況下iD≈0。

N溝道JFET輸出特性曲線截止區(qū)0.8-0.6-0.4-0.2-0-iD

/mAvDS

/VvGS=0V-0.4V-0.8V4810121620預(yù)夾斷軌跡Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)

四個(gè)區(qū)：①可變電阻區(qū)(Ⅰ)：預(yù)夾斷前。即：

△iD

=gm△v

GS（放大原理）vGSiD=0Nds+-耗盡層P+P+AVDDvDS+-g動(dòng)畫(JFET輸出特性）

(a)N溝道JFET輸出特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性曲線：

IDSS(b)轉(zhuǎn)移特性曲線ABC-0.8-0.6-0.40.20iD

/mAvGS

/VVP-0.8-0.40IDSSCBAvDS

=10V(當(dāng)

時(shí))

IDSS為零柵壓的漏極電流（通常令vDS=10V

)

，稱為漏極飽和電流。IDSS下標(biāo)中的第二個(gè)S表示柵源極間短路的意思。(1)作圖法求出轉(zhuǎn)移特性曲線0.8-0.6-0.4-0.2-0-iD

/mAvDS

/VvGS=0V-0.4V-0.8V4810121620預(yù)夾斷軌跡Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)截止區(qū)(2)利用方程求出轉(zhuǎn)移特性曲線動(dòng)畫(JFET轉(zhuǎn)移特性）

3.主要參數(shù)1.夾斷電壓VP(耗盡型)

通常令vDS

為某一固定值（如10V)，使漏極電流

iD為某一微小電流(如50μ

A)

時(shí)vGS的

值。VP2.飽和漏極電流IDSS在vGS

=0的情況下，當(dāng)v

DS>|VP|（即預(yù)夾斷點(diǎn)以后）時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流。通常令vDS=10V，vGS=0V時(shí)測出的iD

就是IDSS。vGS/ViD/mAO3.直流輸入電阻RGS:在漏源短路的情況下，柵源之間加一定的電壓時(shí)的柵源直流電阻就是直流輸入電阻RGS。一、直流參數(shù)IDSS1.低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）gm：

反映了vGS

對iD

的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)。QO2.輸出電阻rd：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。2.最大耗散功率PDM:管子正常工作時(shí)允許消耗功率的上限值。

二、交流參數(shù)三、極限參數(shù)3.最大漏源電壓V(BR)DS:是指發(fā)生雪崩擊穿,iD開始急劇上升時(shí)的vDS。4.最大柵源電壓V(BR)GS：是指柵源間反向電流開始急劇上升時(shí)的vGS。vGS/ViD/mAO輸出電阻rd說明了vDS

對iD

的影響，是輸出特性某一點(diǎn)上切線斜率的倒數(shù)，在線性放大區(qū)，切線斜率很小，所以rd很大（幾十KΩ～幾百KΩ）。5.2絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）)場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖5.2.1所示，其中圖(a)為立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖(b)為平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5.2.1絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖；(b)剖面圖圖5.2.1絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖；(b)剖面圖5.2.1N

溝道增強(qiáng)型

MOSFET(Mental

Oxide

Semi—FET).5.2絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）)場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴(kuò)散的方法制作兩個(gè)高摻雜的N+

區(qū)在硅片表面生長一層很薄的SiO2絕緣層S

D用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層SGDBS—源極SourceG—柵極GateD—漏極Drain動(dòng)畫(MOSFET的結(jié)構(gòu)）VGGVDDbsgdP型襯底N型（感生）溝道N+N+

vGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層。即N型溝道，因?qū)щ婎愋团cP襯底相反，故又稱為反型層。

把開始形成溝道時(shí)的柵源電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

當(dāng)vGS＞0,但vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)。

增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)vGS=0時(shí)，不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，這時(shí)漏極電流iD≈0。2.工作原理（1）vGS對iD及溝道的控制作用VGGVDDbsgdP型襯底N+N+VGGVDDbsgdP型襯底N+N+VGGVDDbsgdP型襯底N型（感生）溝道N+N+iD迅速增大VGGVDDbsgdP型襯底N型（感生）溝道夾斷區(qū)N+N+iD飽和(2)vDS

對

iD的影響(vGS

>VT，已產(chǎn)生溝道)

DS間的電位差使溝道呈楔形，vDS，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預(yù)夾斷(臨界條件為vGD

=vGS-vDS

=VT時(shí))：漏極附近反型層消失,它是可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的分界點(diǎn)。預(yù)夾斷發(fā)生之前：

vDS↑

→

iD↑。預(yù)夾斷發(fā)生之后：vDS↑

→

iD不變。VGGVDDbsgdP型襯底N型（感生）溝道N+N+iD飽和3.特性曲線vDS

=10VVT

開啟電壓(1).轉(zhuǎn)移特性曲線O2464321vGS/ViD/mA動(dòng)畫(MOSFET工作原理）(2)輸出特性曲線①可變電阻區(qū)：vDS

≤

vGS

VT，即vGD

≥

VT，預(yù)夾斷前，vDS↑

iD

↑（近似線性），直到預(yù)夾斷。②飽和區(qū)(恒流區(qū)、放大區(qū))：vDS↑，iD

不變。vDS

加在耗盡層上，溝道電阻不變③截止區(qū)：vGS

VT

全夾斷

iD=0

飽和區(qū)恒流區(qū)vGS在恒流區(qū)內(nèi)，當(dāng)

vGS

>VT

時(shí)：ID0是vGS

=2VT

時(shí)的

iD值48121620O4-3-2-1-iD

/mAvDS

/V5VvGS=3V4V預(yù)夾斷軌跡Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)放大區(qū)④擊穿區(qū)(Ⅲ)

。5.2.2耗盡型

N溝道

MOSFETSGDB

由于SiO2絕緣層中摻入足夠濃度的正離子，在

vGS

=0時(shí)已形成溝道；如果在D、S間加正電壓vDS

就形成

iD，但當(dāng)vGS

VP

時(shí)，溝道全夾斷。輸出特性轉(zhuǎn)移特性IDSSVP夾斷電壓飽和漏極電流當(dāng)

vGS

VP

時(shí)(即：VP點(diǎn)以右，溝道沒有全夾斷），vDS/ViD/mAvGS

=4V2V0V2VOOvGS/ViD/mAIDSS

IDSS稱為漏極飽和電流，它是零柵源電壓（即

vGS

=0）管子工作在放大區(qū)的漏極電流。IDSS下標(biāo)中的第二個(gè)S表示柵源極間短路的意思。

vGS=0時(shí)，漏源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，加上正向電壓vDS，就有電流iD。加上正的vGS，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。vGS為負(fù)時(shí)，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道剛好消失時(shí)所加的柵源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管只能在vGS<0的情況下工作。N溝道耗盡型MOS管在①vGS=0，②vGS>0，③VP<vGS<0的情況下均可工作。P溝道

MOSFET增強(qiáng)型耗盡型SGDBSGDBN溝道增強(qiáng)型SGDBiDOvGS/ViD/mAVTN溝道耗盡型iDSGDBVPvGS/ViD/mA

OFET符號、特性的比較5.2.3各種FET的特性比較及使用注意事項(xiàng)O

vDS/ViD/mAvGS

=5V4V3V2VO

vDS/ViD/mAvGS

=0.2V0V-0.2V-0.4VN溝道結(jié)型SGDiDO

vDS/ViD/mAvGS

=0V-1V-2V-3VVPvGS/ViD/mA

OIDSSP溝道增強(qiáng)型SGDBiDO-vDS/ViD/mAvGS

=-6V-5V-4V-3V

OvGS/ViD/mAVTSGDBiDP溝道耗盡型iD/mAvGS

=0V+1V-1VO-vDS/V+2VVPvGS/ViD/mA

OSGDiDP溝道結(jié)型O-vDS/ViD/mAvGS

=0V+1V+2V+3VVPIDSSvGS/ViD/mA

O四、場效應(yīng)管使用注意事項(xiàng)1.MOS管柵、源極之間的電阻很高，使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄放，因極間電容很小，會(huì)造成電壓過高使絕緣層擊穿。因此，保存MOS管應(yīng)使三個(gè)電極短接，避免柵極懸空。焊接時(shí)，電烙鐵的外殼應(yīng)良好地接地，或燒熱電烙鐵后切斷電源再焊。2.有些場效應(yīng)晶體管將襯底引出，故有4個(gè)管腳，這種管子漏極與源極可互換使用。但有些場效應(yīng)晶體管在內(nèi)部已將襯底與源極接在一起，只引出3個(gè)電極，這種管子的漏極與源極不能互換。3.使用場效應(yīng)管時(shí)各極必須加正確的工作電壓。4.在使用場效應(yīng)管時(shí)，要注意漏、源電壓、漏源電流及耗散功率等，不要超過規(guī)定的最大允許值。五、雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較各類型場效應(yīng)管的特性比較見P：2371.直流偏置電路：保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真

5.3

場效應(yīng)管放大電路（1）自偏壓電路VGS=-IDR

注意：由于該電路只能產(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。計(jì)算Q點(diǎn)：VGS、ID、VDSvGS

=再由VDS=VDD-ID(Rd+R)解出VDS已知VP、IDSS，由-iDR從而可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS

5.3.1FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析源極旁路電容可解出VGS、IDRd30KΩR2KΩRg10MΩsgdCb10.01μFCb24.7μFC47μF++++__VDD18Vv0viTRL圖5.4.1（ａ）（2）分壓式自偏壓電路VDS=VDD-ID(Rd+R)可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS計(jì)算Q點(diǎn)：已知VP、IDSS

，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。Rd30KΩR2KΩRg247KΩRg12MΩRg310MΩsgdCb10.01μFCb24.7μFC47μF++++__VDD18Vv0viT圖5.3.1（ｂ）例5.3.1電路參數(shù)圖4.4.1（ｂ）所示，Ｒｇ１＝２ＭΩ，Ｒｇ２＝４７ＫΩ，Ｒｇ３＝１０ＭΩ，Ｒｄ＝３０ＫΩ，Ｒ＝２ＫΩ，ＶＤＤ＝１８Ｖ，ＦＥＴ的ＶＰ＝－１Ｖ，ＩＤＳＳ＝０．５ｍＡ，試確定Ｑ點(diǎn)。解：將已知數(shù)代入方程后可得2靜態(tài)工作點(diǎn)的確定Rd30KΩR2KΩRg247KΩRg12MΩRg310MΩsgdCb10.01μFCb24.7μFC47μF++++__VDD18Vv0viT圖5.4.1（ｂ）5.3.2FET放大電路的小信號模型分析法

與雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管也是一種非線性器件，而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。

其中：①rgs是輸入電阻，理論值為無窮大。

②gmvgs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用。gm稱為低頻跨導(dǎo)。

③rd為輸出電阻，類似于雙極型晶體管的rce。1.FET的小信號模型sgdiD++__vGSvDSrgs++__gsdrdgmVgs·Vgs·Vds·Id·共源放大電路2.應(yīng)用小信號模型法分析FET放大電路（1）畫出共源放大電路的交流小信號等效電路。

（2）求中頻電壓放大倍數(shù)忽略rd（即為∞）由輸入輸出回路得則（3）求輸入電阻（4）求輸出電阻則由于rgs=∞

Vgs·+_rgssrdgmVgs·Vi·Vo·RdRRg2Rg1Rg3gd++__Rd30KΩR2KΩRg247KΩRg12MΩ