模電 第五版 康華光 part5

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

金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管5.2MOSFET放大電路5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)5.5

各種放大器件電路性能比較場(chǎng)效應(yīng)晶體管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)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(hào)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(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管本節(jié)僅介紹金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為：增強(qiáng)型和耗盡型兩類(lèi)每類(lèi)又有N溝道和P溝道之分5.1

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

高摻雜N區(qū)GSD符號(hào)：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(dá)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(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱(chēng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。2）N溝道增強(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

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

當(dāng)柵源電壓UGS=0時(shí)，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)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(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

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

UGS(th）后，場(chǎng)效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開(kāi)始導(dǎo)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(chǎng)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(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UGS(th）。3）特性曲線有導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無(wú)導(dǎo)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(kāi)啟電壓UGS(th）UDSUGS/N型襯底P+P+GSD符號(hào)：結(jié)構(gòu)4)P溝道增強(qiáng)型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)UGS

UGS(th）時(shí)才形成導(dǎo)電溝道。結(jié)構(gòu)2.

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

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

這時(shí)的漏極電流用IDSS表示，稱(chēng)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(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管3)P溝道耗盡型管N型襯底P+結(jié)構(gòu)P+符號(hào)：GSD予埋了P型導(dǎo)電溝道SiO2絕緣層中摻有負(fù)離子耗盡型GSDGSD增強(qiáng)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(dǎo)電溝道在制造時(shí)就具有原始導(dǎo)電溝道絕緣柵增強(qiáng)型N溝P溝絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道3.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1)開(kāi)啟電壓UGS(th)：是增強(qiáng)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(dǎo)gm：表示柵源電壓對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較雙極型三極管單極型場(chǎng)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(shí)參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類(lèi)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(fù)雜簡(jiǎn)單，成本低對(duì)應(yīng)電極

B—E—CG—S—D5.2MOSFET放大電路

場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，常用于多級(jí)放大電路的輸入級(jí)以及要求噪聲低的放大電路。場(chǎng)效應(yīng)管的源極、漏極、柵極相當(dāng)于雙極型晶體管的發(fā)射極、集電極、基極。場(chǎng)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(lèi)似。場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱(chēng)自給偏壓。UGS

=–RSIS

=–RSID+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGST為N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型MOS管因UGS=0時(shí)，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(shí)的關(guān)系式對(duì)增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的放大電路需用圖解法來(lái)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(diǎn)。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(shí)的關(guān)系式流過(guò)

RG的電流為零2)動(dòng)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(diǎn)與晶體管的射極輸出器一樣當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)時(shí)，漏源電阻：

場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，在柵極與源極之間加負(fù)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(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，極性相反，溝道中的多子為空穴。①柵源電壓VGS對(duì)iD的控制作用

當(dāng)VGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減??；VGS更負(fù)，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(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱(chēng)為夾斷電壓VP。②漏源電壓VDS對(duì)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(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)，隨VDS增大，這種不均勻性越明顯。當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)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(qiáng)電場(chǎng)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(dòng)畫(huà)2-9)（動(dòng)畫(huà)2-6）(3)伏安特性曲線①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱(chēng)飽和區(qū)或放大區(qū)）特點(diǎn):(1)受控性：