模電 第五版 康華光 part5

第5章場效應(yīng)管放大電路模擬電子技術(shù)江蘇科技大學電信學院第5章場效應(yīng)管放大電路5.1

金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應(yīng)管5.2MOSFET放大電路5.3

結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)5.5

各種放大器件電路性能比較場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。概述

5.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:結(jié)型場效應(yīng)管金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管本節(jié)僅介紹金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為：增強型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分5.1

金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應(yīng)管漏極D柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。金屬電極1)N溝道增強型管的結(jié)構(gòu)柵極G源極S1.增強型絕緣柵場效應(yīng)管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)GSD符號：由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達108。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)由于金屬柵極和半導體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。2）N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。

當柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD2）N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層；N型導電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導通。當UGS>UGS（th）時，將出現(xiàn)N型導電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導電溝道愈寬。2）N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導電溝道當UGS

UGS(th）后，場效應(yīng)管才形成導電溝道，開始導通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導通變?yōu)閷ǖ呐R界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。3）特性曲線有導電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無導電溝道ID/mAUDS/V0UGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)開啟電壓UGS(th）UDSUGS/N型襯底P+P+GSD符號：結(jié)構(gòu)4)P溝道增強型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導電溝道增強型場效應(yīng)管只有當UGS

UGS(th）時才形成導電溝道。結(jié)構(gòu)2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管GSD符號：SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導電溝道如果MOS管在制造時導電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應(yīng)管。1)N溝道耗盡型管2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導電溝道，所以在UGS=0時，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，也會有漏極電流ID產(chǎn)生。當UGS>0時，使導電溝道變寬，ID增大；當UGS<0時，使導電溝道變窄，ID減?。籙GS負值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。當UGS達到一定負值時，N型導電溝道消失，ID=0，稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。

這時的漏極電流用IDSS表示，稱為飽和漏極電流。2)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線夾斷電壓耗盡型的MOS管UGS=0時就有導電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。UGS(off)轉(zhuǎn)移特性曲線0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常數(shù)UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏極特性曲線0ID/mA16201248121648IDSS2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管3)P溝道耗盡型管N型襯底P+結(jié)構(gòu)P+符號：GSD予埋了P型導電溝道SiO2絕緣層中摻有負離子耗盡型GSDGSD增強型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、S之間加一定電壓才形成導電溝道在制造時就具有原始導電溝道絕緣柵增強型N溝P溝絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道3.場效應(yīng)管的主要參數(shù)1)開啟電壓UGS(th)：是增強型MOS管的參數(shù)2)夾斷電壓UGS(off)：3)飽和漏電流IDSS：是結(jié)型和耗盡型MOS管的參數(shù)4)低頻跨導gm：表示柵源電壓對漏極電流的控制能力極限參數(shù)：最大漏極電流、耗散功率、擊穿電壓。場效應(yīng)管與晶體管的比較雙極型三極管單極型場效應(yīng)管電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時參與導電載流子電子或空穴中一種載流子參與導電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數(shù)

rce很高

rds很高

輸出電阻輸入電阻較低較高熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復雜簡單，成本低對應(yīng)電極

B—E—CG—S—D5.2MOSFET放大電路

場效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。場效應(yīng)管的源極、漏極、柵極相當于雙極型晶體管的發(fā)射極、集電極、基極。場效應(yīng)管的共源極放大電路和源極輸出器與雙極型晶體管的共發(fā)射極放大電路和射極輸出器在結(jié)構(gòu)上也相類似。場效應(yīng)管放大電路的分析與雙極型晶體管放大電路一樣，包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析。1.自給偏壓式偏置電路5.2MOSFET放大電路柵源電壓UGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱自給偏壓。UGS

=–RSIS

=–RSID+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGST為N溝道耗盡型場效應(yīng)管增強型MOS管因UGS=0時，ID0，故不能采用自給偏壓式電路。+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGS靜態(tài)分析可以用估算法或圖解法(

略)估算法：UGS

=–RSID將已知的UGS(off)、IDSS代入上兩式，解出UGS、ID;由UDS=

UDD–ID（RD+RS）解出UDS列出靜態(tài)時的關(guān)系式對增強型MOS管構(gòu)成的放大電路需用圖解法來確定靜態(tài)值。+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGS例：已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=–4V、IDSS=8mA，確定靜態(tài)工作點。解：用估算法UGS

=–1IDUDS=20

–2（3+1）=12V列出關(guān)系式解出UGS1=

–2V、UGS2=

–8V、ID1=2mA、ID2=8mA因UGS2<UGS(off)故舍去

，所求靜態(tài)解為UGS=

–2VID=2mA、2.

分壓式偏置電路1)

靜態(tài)分析+–+UDDRSCSC2C1RG1RDRG2RG++–RLuiuo估算法：將已知的UGS(off)、IDSS代入上兩式，解出UGS、ID;由UDS=

UDD–ID（RD+RS）解出UDS列出靜態(tài)時的關(guān)系式流過

RG的電流為零2)動態(tài)分析電壓放大倍數(shù)RG1RDRG2RG+–RL+–SDGT交流通路輸入電阻輸出電阻

RG是為了提高輸入電阻ri而設(shè)置的。3.源極輸出器+UDDRSC2C1RG1RG2RG+–RLuiuo+–+RG1RSRG2RG+–RL+–SDGT+–交流通路電壓放大倍數(shù)特點與晶體管的射極輸出器一樣當場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)時，漏源電阻：

場效應(yīng)管可看作由柵源電壓控制的可變電阻。UDS－1V－1.5VUGS=－0.5V0ID/mA16201248121648－2V－2.5V|UGS

|愈大，

RDS愈大。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性應(yīng)用舉例：UiUo|UGS|RDSAuUo+UCC

放大器

整流濾波電路uoui5.3結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)1.結(jié)構(gòu)2.工作原理

N溝道PN結(jié)N溝道場效應(yīng)管工作時，在柵極與源極之間加負電壓，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P溝道場效應(yīng)管工作時，極性相反，溝道中的多子為空穴。①柵源電壓VGS對iD的控制作用

當VGS＜0時，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小；VGS更負，溝道更窄，ID更小；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，ID≈0。這時所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。②漏源電壓VDS對iD的影響

在柵源間加電壓VGS＞VP，漏源間加電壓VDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為VGD=VGS-VDS，比源端耗盡層所受的反偏電壓VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,則漏端耗盡層受反偏電壓為-5V，源端耗盡層受反偏電壓為-2V),使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故VDS對溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。當VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點，隨VDS增大，這種不均勻性越明顯。當VDS繼續(xù)增加時，預(yù)夾斷點向源極方向伸長為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強電場力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。JFET工作原理

（動畫2-9)（動畫2-6）(3)伏安特性曲線①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點:(1)受控性：