單極型場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

(FieldEffectTransistor)4單極型場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路4.1單極型場(chǎng)效應(yīng)管概述4.3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)4.4N溝道耗盡型MOS管4.5各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較及注意事項(xiàng)

4.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JEFT)4.6

場(chǎng)效應(yīng)管放大器及其靜態(tài)分析4.7

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路微變等效電路分析基本要求:1了解JFET和MOS管的工作原理、特性曲線及主要參數(shù)2掌握用估算法和小信號(hào)模型法分析靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3了解三極管及場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的特點(diǎn)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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)分類增強(qiáng)型FET－－

vGS=0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，iD=0;vGS>0形成感生溝道的FET。符號(hào)中的虛線表明了其特點(diǎn)。反之，為耗盡型。4.1單極型場(chǎng)效應(yīng)管概述電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)

4.2.1

JFET的結(jié)構(gòu)

4.2.3

JFET的特性曲線

4.2.2

JFET的工作原理

4.2.3

JFET的主要參數(shù)

電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖N溝道P溝道按導(dǎo)電溝道分

4.2.1

JFET的結(jié)構(gòu)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

源極，用S或s表示N型導(dǎo)電溝道漏極，用D或d表示

P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號(hào)符號(hào)結(jié)構(gòu)－－實(shí)際結(jié)構(gòu)

#

符號(hào)中的箭頭方向表示什么？柵結(jié)正偏時(shí)，柵極電流的方向－－從P指向N

4.2.1

JFET的結(jié)構(gòu)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)偏置電壓的要求：1)柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS＜0)作用：使柵-源極間的PN結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)107左右)。2)漏-源極間加一正電壓(vDS＞0)作用：使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD。

在上述兩個(gè)電源的作用下,iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏-源電壓vDS的影響。工作原理（以N溝道JFET為例）

4.2.2

JFET的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(1)VGS對(duì)溝道的控制作用(假設(shè)vDS=0)當(dāng)VGS＜0時(shí)當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP（或VGS(off)）。對(duì)于N溝道的JFET，VP<0。PN結(jié)反偏，耗盡層加厚，電阻增大；vGS電阻溝道變窄，結(jié)論：vGS控制溝道電阻的大小。

4.2.2

JFET的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(2)VDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)VGS=0時(shí)，ID=0G、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阻礙iD增加。

②當(dāng)VDS增加到使VGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷iD=IDSS飽和區(qū)。③繼續(xù)VDS夾斷區(qū)向下延伸溝道電阻IDIDDS①VDS=0ID近似線性VDSiDSSvGS=0反向擊穿iD/mA0

vDS/VV(BR)DS|VP|②預(yù)夾斷點(diǎn)①③④VDS>V(BR)DS反向擊穿④

4.2.2

JFET的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(3)

VGS和VDS同時(shí)作用時(shí)導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對(duì)于同樣的VDS，

ID的值比VGS=0時(shí)的值要小。VGD=VGS-VDS=VP當(dāng)VP<VGS<0時(shí)，在預(yù)夾斷處iD/mA0

vDS/VvGS=0vGS=-1VvGS=VP預(yù)夾斷軌跡VGD=VGS-VDS=VP預(yù)夾斷點(diǎn)VGSVP

溝道截止iD=0截止區(qū)

4.2.2

JFET的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制預(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FET的輸入電阻比BJT高得多？JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。

4.2.2

JFET的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)#JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？2.轉(zhuǎn)移特性VP1.輸出特性飽和區(qū)線性放大區(qū)VGS<Vp截止區(qū)

4.2.3

JFET的特性曲線

電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：

③

低頻跨導(dǎo)gm：或漏極電流約為零時(shí)的VGS值。VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。低頻跨導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。④輸出電阻rd：

4.2.4

JFET的主要參數(shù)

電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

4.2.4

JFET的主要參數(shù)⑤直流輸入電阻RGS：對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥最大漏源電壓V(BR)DS⑦最大柵源電壓V(BR)GS電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4.3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管襯底引線

4.3.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(MentalOxideSemiconductor—FET)P型襯底(摻雜濃度低)N+N+SDGB耗盡層用擴(kuò)散的方法制作兩個(gè)N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層結(jié)構(gòu)與符號(hào)用金屬鋁引出源極S和漏極D在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GSGDBSGDB箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)G與S、D均無(wú)電接觸(絕緣柵極)----利用電場(chǎng)效應(yīng)控制電流大小的半導(dǎo)體器件

MOSFET－－符號(hào)中的虛線表明為增強(qiáng)型FET。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

當(dāng)柵源之間加上正向電壓，GB間產(chǎn)生垂直電場(chǎng)，排斥P區(qū)中的空穴形成離子區(qū)(耗盡層)，同時(shí)吸引P區(qū)中的少子電子到襯底表面；v（源極S與襯底相連）同樣為vGS的控制作用與vDS的影響。1)vGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(vDS=0)(1)當(dāng)vGS=0

，D、S間沒(méi)有導(dǎo)電溝道(2)當(dāng)vGS>vT(開(kāi)啟電壓)時(shí)，出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道

當(dāng)vGS足夠大，

VT

時(shí)，襯底中電子被吸引到表面，形成N型導(dǎo)電溝道(感生溝道)，將兩個(gè)N型區(qū)連通。反型層(溝道)VGG電場(chǎng)耗盡層電場(chǎng)N型導(dǎo)電溝道(感生)源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成2個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論vDS極性如何總有一個(gè)PN結(jié)反偏，電阻大，無(wú)導(dǎo)電溝道，iD=0；

4.3.2

N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理增強(qiáng)型FET－－

vGS=0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，iD=0;vGS>0形成感生溝道的FET。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)v源極S與襯底相連工作原理此時(shí)，若加入vDS則有漏極電流iD

產(chǎn)生。反型層(溝道)VGG電場(chǎng)耗盡層電場(chǎng)N型導(dǎo)電溝道(感生)開(kāi)啟電壓VT－－在vDS作用下開(kāi)始導(dǎo)電時(shí)的vGS。(1)當(dāng)vGS=0

，D、S間沒(méi)有導(dǎo)電溝道(2)當(dāng)vGS>vT(開(kāi)啟電壓)時(shí)，出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道

vGS

越大，溝道越厚，溝道電阻越小。加入vDS后，溝道兩端因電位不同，靠近S端厚，D端薄，溝道呈楔形。VGG

4.3.2

N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)vVGGVGG工作原理(3)可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的形成機(jī)制在vGS>VT時(shí)，若外加vDS較小(vDSvGS-VT)，iD將隨vDS上升迅速增大。iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V當(dāng)vDS增大到一定值，使vGS-vDS=vGD=VT(vDS≥vGS-VT)時(shí)，靠近D端反型層消失，產(chǎn)生夾斷。vDS繼續(xù)增大，夾斷點(diǎn)左移。夾斷區(qū)---反型層消失后的耗盡區(qū)注意：溝道夾斷時(shí)，耗盡區(qū)中仍有電流流過(guò)。vDS繼續(xù)增加時(shí)，增加的部分主要降落在夾斷區(qū)，而降落在導(dǎo)電溝道上的電壓基本不變，因此vDS增加，iD趨于飽和。當(dāng)vDS=vGS-VT時(shí)，稱為預(yù)夾斷(預(yù)夾斷臨界條件)

?？勺冸娮鑵^(qū)飽和區(qū)預(yù)夾斷點(diǎn)歸納：利用柵源電壓的大小改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，以改變溝道電阻的大小，進(jìn)而可以控制漏極電流的大小。

4.3.2

N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(1)輸出特性及電流方程a、截止區(qū)(vGS<VT時(shí))，無(wú)導(dǎo)電溝道，iD=0.4.3.3

N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線和電流方程b、可變電阻區(qū)(VDSvGS-VT時(shí))iD隨vDS快速增大。vGS大，rDS小。c、飽和區(qū)(恒流區(qū)、放大區(qū))(vGS≥VT,且vDS≥vGS-VT)vDS增加，iD趨于飽和。iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區(qū)可變電阻區(qū)飽和區(qū)預(yù)夾斷發(fā)生之前：uDSiD。預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDSiD不變。Kn----電導(dǎo)常數(shù)，mA/V2。原點(diǎn)附近忽略vDS，受vGS控制電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）轉(zhuǎn)移特性曲線2464321vGS/ViD/mAVDS=10VVTvGS=2VT時(shí)的

iD值開(kāi)啟電壓轉(zhuǎn)移特性可以從輸出特性上用作圖法得到。也可以由下式畫出。當(dāng)vGS≥VT時(shí)4.3.3

N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線和電流方程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4.4.1基本結(jié)構(gòu)SGDBSio2絕緣層中摻入正離子在uGS=0時(shí)已形成溝道；在DS間加正電壓時(shí)形成iD。vGS

VP時(shí)(夾斷電壓/截止電壓)，全夾斷，iD=0。

vGS可正可負(fù)，vGS>0時(shí)，感應(yīng)更多電子，溝道變寬，在vDS作用下iD更大；

vGS<0,使溝道中的感應(yīng)電子減少，溝道變窄，在vDS作用下，iD減小。4.4

N溝道耗盡型MOS管電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)輸出特性vGS/ViD/mAIDSSVP夾斷電壓飽和漏極電流當(dāng)vGS

VP時(shí)，vDS/ViD/mAvGS=4V2V0V2VOO轉(zhuǎn)移特性vGS

可正可負(fù)，iG04.4.2工作特性4.4

N溝道耗盡型MOS管電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)增強(qiáng)型耗盡型SGDBSGDB4.4

N溝道耗盡型MOS管電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)綜上分析可知感生溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。MOSFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制預(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。MOSFET的柵極絕緣，iG=0，輸入電阻很高。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)N溝道增強(qiáng)型SGDBiDP溝道增強(qiáng)型SGDBiD2–2OvGS/ViD/mAVTSGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型VPIDSSvGS/ViD/mA–5O54.5.1各類FET符號(hào)、特性4.5各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較及注意事項(xiàng)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)OuDS/ViD/mA－5V－2V0V

uGS=N溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型UGS(off)OuDS/ViD/mAuGS=0V

2V

5VuGS/ViD/mA5–5OIDSS4.5各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較及注意事項(xiàng)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

（1）JFET的vGS不能接反，開(kāi)路保存，d、s可以互換；

N溝道MOS管，將襯底接到電位最低點(diǎn)；

4.5各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較及注意事項(xiàng)4.5.2使用場(chǎng)效應(yīng)管的注意事項(xiàng)

（2）當(dāng)MOSFET的襯底與源極已經(jīng)相連時(shí)，d、s不能互換的vGS不能接反，開(kāi)路保存，d、s可以互換；

（3）當(dāng)MOSFET的襯底單獨(dú)引出時(shí)，應(yīng)正確連接襯底，以保證溝道與襯底間的PN結(jié)反偏使襯底與溝道及各電極隔離。

P溝道MOS管，將襯底接到電位最高點(diǎn)。

（4）MOS管的絕緣層很薄，及易擊穿，柵極不能開(kāi)路，應(yīng)將各級(jí)短路存放；焊接時(shí)，電烙鐵必須可靠接地，或者斷電利用烙鐵余熱焊接，并注意屏蔽交流電場(chǎng)。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1）各極和組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系CEBJTFETCSCCCDCBCG4.5.3場(chǎng)效應(yīng)管與三極管的性能比較2）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件，三極管是電流控制電流器件3）場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻高，柵極電流約為04）場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件，管噪小5）場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝簡(jiǎn)單、功耗小、易于集成電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器及其靜態(tài)分析共源、共漏、共柵

4.6.1

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種組態(tài)

4.6.2

場(chǎng)效應(yīng)管的直流通路及靜態(tài)估算分析

4.6.3

場(chǎng)效應(yīng)管的靜態(tài)圖解分析（自學(xué)）

求解QVDSQVGSQ電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)+vi-+vo-1）固定偏壓電路電路特點(diǎn)：VDSQ=VDD-IDQRD∵IG=0時(shí)，有VGSQ=-VGG解得:Q(IDQ,UGSQ

,VDSQ)

4.6.2

場(chǎng)效應(yīng)管的直流通路及靜態(tài)估算分析

柵源電壓由VGG提供，保證VGS<0；Rg使vi能加入；雙電源；適用于各種FET。靜態(tài)分析：電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2）自偏壓電路vGSvGSvGSvGSvGSVGS=VG-VS=-IDQRS只能使用耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管。不適合增強(qiáng)型。

4.6.2

場(chǎng)效應(yīng)管的直流通路及靜態(tài)估算分析

電路特點(diǎn)：無(wú)外加電源提供VGS偏壓，VGS由iDRS提供（自偏壓）。必須保證接通電源時(shí)有iDQVDSQ=VDD-IDQ(Rd+Rs)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3）分壓式自偏壓電路∵IG=0，調(diào)整電阻的大小可使UGSQ>0或UGSQ=0或UGSQ<0

4.6.2

場(chǎng)效應(yīng)管的直流通路及靜態(tài)估算分析

VDSQ=VDD-IDQ(Rd+Rs)∴該電路適合于各種FET管，應(yīng)用較廣，類似于BJT管的射極偏置電路。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的輸入耦合電容可以較小。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4.7

場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路分析法4.7.1

場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路

（1）低、中頻模型通常rd、rgs很大可以忽略簡(jiǎn)化模型

電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）高頻模型4.7

場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路分析法電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1.分壓式自偏壓共源極放大電路

（1）畫微變等效電路4.7.2

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路微變等效電路分析如果，源極接有旁路電容CS？電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析1）中低頻電壓增益2）輸入電阻3）輸出電阻據(jù)簡(jiǎn)化小信號(hào)模型電路則關(guān)鍵：用vgs表示vi，vo4.7.2

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路微變等效電路分析畫出求RO電路如果，源極接有旁路電容C