第4章 場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

第4章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路4.1引言4.2場(chǎng)效應(yīng)管4.3場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路1.場(chǎng)效應(yīng)管是如何通過(guò)柵源電壓控制漏極電流的？2.場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線與雙極型晶體管有何異同？3.場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路的靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)與雙極型晶體管基本放大電路有何異同？4.場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路的頻率特性與雙極型晶體管基本放大電路有何異同？4.1引言4.2場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管：一種載流子參與導(dǎo)電，利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的三極管，又稱單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。

N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(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管分類：4.2.1絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)1010以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.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(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖SGDB2.工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。(1)柵源電壓UGS對(duì)漏極電流iD的控制作用漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBDUDS=0，0<UGS<UGS(th)P型襯底N+N+BGSD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(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS耗盡層變寬。VGG---------UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)或UT為開(kāi)始形成反型層所需的UGS，稱開(kāi)啟電壓。(2)漏源電壓UDS對(duì)漏極電流iD的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID。UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，iD因而基本不變。UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的uGS就有一個(gè)確定的iD。此時(shí)，可以把iD近似看成是uGS控制的電流源。3.特性曲線與電流方程(2)轉(zhuǎn)移特性UGS<UT，iD=0；UGS

≥

UT，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UT時(shí))UT2UTIDOuGS/ViD/mAO(1)輸出特性三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。iD/mAuDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)UGS增加二、N溝道耗盡型MOSFETP型襯底N+N+BGSD++++++制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，iD減小；UGS=

UP,感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。UP或UGS(off)稱為夾斷電壓N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS正、負(fù)、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS耗盡型MOS管的符號(hào)SGDB(b)輸出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N溝道耗盡型MOSFET三、P溝道增強(qiáng)型和耗盡型MOSFETP溝道增強(qiáng)型MOS管的開(kāi)啟電壓UGS(th)<0當(dāng)UGS<UGS(th)

，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓管子才導(dǎo)通,空穴導(dǎo)電。P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓UGS(off)＞0UGS

可在正、負(fù)值的一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道DSGN符號(hào)4.2.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JunctionFieldEffectTransistor1.結(jié)構(gòu)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖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(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS2.工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來(lái)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(huì)變寬，導(dǎo)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）柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS（Off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷.ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)為夾斷電壓,為負(fù)值。UGS(off)也可用UP表示uGS=0，uGD>UGS（Off)，iD較大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

uGS<0，uGD>UGS（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：當(dāng)uDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDS

（2）漏源電壓uDS對(duì)漏極電流iD的控制作用GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,溝道變窄預(yù)夾斷uGS<0,uGD<uGS(off),夾斷，iD幾乎不變GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改變uGS，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了iD，故稱場(chǎng)效應(yīng)管；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)當(dāng)uGD<uGS(off),時(shí)，,uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用場(chǎng)效應(yīng)管用低頻跨導(dǎo)gm的大小描述柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件(VCCS)。在uGD＝uGS－uDS<uGS(off),當(dāng)uDS為一常量時(shí)，對(duì)應(yīng)于確定的uGS，就有確定的iD。gm=iD/uGS(單位mS)小結(jié)(1)在uGD＝uGS－uDS>uGS(off)情況下,即當(dāng)uDS<uGS-uGS(off)

對(duì)應(yīng)于不同的uGS，d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當(dāng)uDS使uGD＝uGS(off)時(shí)，d-s之間預(yù)夾斷(3)當(dāng)uDS使uGD<uGS(off)時(shí)，iD幾乎僅僅決定于uGS，而與uDS無(wú)關(guān)。此時(shí)，可以把iD近似看成uGS控制的電流源。3.特性曲線轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O

uGSiDIDSSUGS(off)轉(zhuǎn)移特性u(píng)GS=0，iD最大；uGS愈負(fù)，iD愈??；uGS=UGS(off)

，iD0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS(off)

(ID=0時(shí)的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲線測(cè)試電路+mA轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP轉(zhuǎn)移特性輸出特性曲線當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流iD與漏源之間電壓uDS的關(guān)系，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)。漏極特性輸出特性（漏極特性）曲線夾斷區(qū)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲線測(cè)試電路+mA擊穿區(qū)種類符號(hào)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(qiáng)型SGDSGDiDUGS=0V+uDS++oSGDBuGSiDOUT各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0V---uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO種類符號(hào)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(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+4.2.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)和型號(hào)1.直流參數(shù)（3）飽和漏極電流IDSS（2）夾斷電壓UP或UGS(off)（1）開(kāi)啟電壓UT

或UGS(th)（4）直流輸入電阻RGS為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。2.交流參數(shù)（1）低頻跨導(dǎo)gm（2）極間電容用以描述柵源之間的電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用。單位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西門(mén)子(mS)這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)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(gè)皮法。3.極限參數(shù)（3）漏極最大允許耗散功率PDM（2）漏源擊穿電壓U(BR)DS柵源擊穿電壓U(BR)GS由場(chǎng)效應(yīng)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(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，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IDM4.型號(hào)晶體管場(chǎng)效應(yīng)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S有的型號(hào)可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子運(yùn)動(dòng)輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)4.2.4雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的比較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)模集成晶體管場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管1.分類按導(dǎo)電溝道分N溝道P溝道按結(jié)構(gòu)分絕緣柵型(MOS)結(jié)型按特性分增強(qiáng)型耗盡型uGS=0時(shí)，iD

=0uGS=0時(shí)，iD

0增強(qiáng)型耗盡型(耗盡型)2.特點(diǎn)柵源電壓改變溝道寬度從而控制漏極電流輸入電阻高，工藝簡(jiǎn)單，易集成由于FET無(wú)柵極電流，故采用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性描述3.特性不同類型FET的特性比較參見(jiàn)圖1.4.13第43-44頁(yè)。不同類型FET轉(zhuǎn)移特性比較結(jié)型N溝道uGS/ViD/mAO增強(qiáng)型耗盡型MOS管(耗盡型)IDSS開(kāi)啟電壓UGS(th)夾斷電壓UGS(off)IDO

是uGS=2UGS(th)時(shí)的iD值4.3場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流元件，具有高輸入阻抗。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法（以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例）場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法（a）共源電路（b）共漏電路（c）共柵電路基本共源放大電路VDD+uOiDT~+uIVGGRGSDGRD與雙極型三極管對(duì)應(yīng)關(guān)系bG,eS,cD為了使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路。(UT：開(kāi)啟電壓)4.3.1場(chǎng)效應(yīng)管共源基本放大電路1.分壓式偏置電路分壓式偏置電路+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++(一)Q點(diǎn)近似估算法根據(jù)輸入回路列方程解聯(lián)立方程求出UGSQ和IDQ。列輸出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDSS(RD+RS)將IDQ代入，求出UDSQ一、靜態(tài)分析－－UGSQ、IDQ、UDSQQ點(diǎn)：UGSQ、IDQ、UDSQUGSQ=UDSQ=已知UP或UGS（Off)

VDD-IDQ(Rd+R)-IDQR可解出Q點(diǎn)的UGSQ、IDQ、UDSQ2.自給偏壓電路JFET自給偏壓共源電路IDQMOS管的低頻小信號(hào)等效模型由于沒(méi)有柵極電流，所以柵源是懸空的。++——gdSsgd二、動(dòng)態(tài)分析1.場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路微變參數(shù)gm和rDS用求導(dǎo)的方法計(jì)算gm在Q點(diǎn)附近，可用IDQ表示上式中iD，則一般gm約為0.1至20mS。rDS為幾百千歐的數(shù)量級(jí)。當(dāng)RD比rDS小得多時(shí)，可認(rèn)為等效電路的rDS開(kāi)路。2.動(dòng)態(tài)分析VDD+u