第3章場效應(yīng)管及其放大電路

《模擬電子技術(shù)》制作：鄭敏二00五年五月第3章場效應(yīng)管放大電路

本章主要內(nèi)容：3.1絕緣柵場效應(yīng)管

3.2結(jié)型場效應(yīng)管

3.3場效應(yīng)管的比較

3.4場效應(yīng)管的主要參數(shù)及使用注意事項(xiàng)

3.5場效應(yīng)管放大電路

3.6本章小結(jié)

3.1絕緣柵場效應(yīng)管場效應(yīng)管的分類：絕緣柵場效應(yīng)管是由金屬、氧化物、半導(dǎo)體組成的，所以又叫金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor），縮寫為MOSFET，簡稱為MOS管。3.1絕緣柵場效應(yīng)管3.1絕緣柵場效應(yīng)管3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管3.1.2N溝道耗盡型MOS管3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管一、結(jié)構(gòu)及符號(hào)

圖3-1N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管圖3-2增強(qiáng)型MOS管的電路符號(hào)3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管二、工作原理

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本工作原理用如圖3-3所示電路加以說明。

（1）UGS對(duì)溝道的影響

UGS＝0時(shí)，導(dǎo)電溝道不存在，

ID=0

；UGS＜UT時(shí)，導(dǎo)電溝道不存在，

ID=0；UGS≥UT時(shí)，導(dǎo)電溝道存在，

ID≠0；3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管圖3-3N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本工作原理

3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管（2）ID與UGS、UDS之間的關(guān)系

前提條件：保證導(dǎo)電溝道形成，即：

UGS≥UT，且UGS為某一固定值。當(dāng)UDS較?。║GS－UDS＞UT）時(shí)，溝道存在，ID隨UDS線性變化。當(dāng)UDS較大（UGS－UDS≤UT）時(shí)，溝道預(yù)夾斷，ID幾乎不隨UDS變化。3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管三、特性曲線

（1）轉(zhuǎn)移特性曲線

所謂轉(zhuǎn)移特性曲線，就是輸入電壓uGS對(duì)輸出電流iD的控制特性曲線。如圖3-4（a）所示。（2）輸出特性曲線所謂輸出特性是表示在UGS一定時(shí)，iD與uDS之間的關(guān)系，是所表示的關(guān)系曲線。如圖3-4（a）所示。3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管圖3-4N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線

3.1.1N溝道增強(qiáng)型MOS管①截止區(qū)條件：UGS＜UT時(shí)對(duì)應(yīng)的區(qū)域。特點(diǎn)：沒形成導(dǎo)電溝道，iD≈0，管子為截止?fàn)顟B(tài)。②可變電阻區(qū)條件：UGS－UDS＞UT。特點(diǎn)：

UGS一定時(shí)，iD與uDS是線性電阻關(guān)系；改變UGS，即改變線性電阻大小。

③恒流區(qū)條件：UGS≥UT，且UGS－UDS＜UT。特點(diǎn)：曲線呈近似水平狀，uDS對(duì)iD的影響很小。3.1.2N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)類似。N溝道增強(qiáng)型MOS管在UGS=0時(shí)沒有導(dǎo)電溝道，只有當(dāng)UGS增加到大于UT時(shí)，導(dǎo)電溝道才形成。而N溝道耗盡型MOS管在UGS=0時(shí)，存在原始導(dǎo)電溝道，即它的導(dǎo)電溝道是在制造工藝過程中形成的。常用的一種方法是在SiO2絕緣層形成過程中，摻入一些金屬正離子，使得場效應(yīng)管在UGS=0時(shí)，也會(huì)在SiO2絕緣層中形成垂直并指向襯底表面的自建電場。

圖3-4N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號(hào)

一、結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)3.1.2N溝道耗盡型MOS管3.1.2N溝道耗盡型MOS管

圖3-5

N溝道耗盡型MOS管的特性曲線

二、特性曲線3.2結(jié)型場效應(yīng)管

3.2.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理3.2.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性曲線3.2.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場效應(yīng)管也有N溝道和P溝道兩種類型。圖是N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖，它是在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩側(cè)，采用擴(kuò)散工藝做出兩個(gè)高濃度的P型區(qū)（用P+表示），形成兩個(gè)PN結(jié)，再進(jìn)行封裝而成的場效應(yīng)管。由管子兩側(cè)的P+型區(qū)引出引線并接成一個(gè)電極作為柵極G；由N型區(qū)的兩端各引出一個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S；3.2.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖3-6N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

3.2.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖3-7P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理N溝道和P溝道兩種結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理是相同的，只是偏壓的極性和參與導(dǎo)電的載流子不同而已。下面以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例介紹結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作的基本原理電路如圖3-8所示。3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理圖3-8N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理圖

3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理圖3-9UGS對(duì)ID的控制作用

3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理（1）UGS=0時(shí)，溝道存在且很寬。（2）UP＜UGS＜0時(shí)，溝道存在變窄，溝道電阻。（3）UGS≥UP時(shí)，溝道夾斷。以上分析表明，改變柵源電壓UGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。如果在漏源間加上固定電壓UDS，則漏極到源極的電流ID將受到UGS的控制，|UDS|增大時(shí)，溝道電阻增大，電流ID減小。3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理二、UDS對(duì)ID的影響假設(shè)UGS=0保證溝道存在，再討論UDS對(duì)ID的影響，如圖3-10（a）、（b）、（c）所示。（1）UDS＜│UP│，溝道不變（存在）。（2）UDS=│UP│，溝道臨界預(yù)夾斷。（3）UDS＞│UP│，溝道夾斷變深。3.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理圖3-10UDS對(duì)ID的影響

3.2.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性曲線圖3-11N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線

3.2.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性曲線N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的三種工作區(qū)：（1）夾斷區(qū)條件：UGS≤UP特點(diǎn)：溝道不存在，ID=0。（2）恒流區(qū)條件：UGS-UDS＜UP特點(diǎn)：ID

不隨UDS變化，而受UGS控制。（3）可變電阻區(qū)條件：UGS-UDS＞UP特點(diǎn)：ID受UDS控制，且成線性關(guān)系。3.2.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性曲線綜上所述，可以得出以下結(jié)論：（1）結(jié)型效應(yīng)管工作時(shí)，其柵極與溝道之間的PN結(jié)外加反向偏置，以保證有較高的輸入電阻。（2）結(jié)型效應(yīng)管是電壓控制器件，iD受uGS控制。（3）預(yù)夾前，iD隨uDS線性變化；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。3.3場效應(yīng)管的比較

3.3.1各類場效應(yīng)管的特性比較3.3.2場效應(yīng)管與三極管的比較3.3.1各類場效應(yīng)管的特性比較（1）場效應(yīng)管是一種壓控器件，由柵源電壓UGS來控制漏極電流ID；而晶體三極管是一種電流控制器件，通過基極電流IB控制集電極電流IC。（2）場效應(yīng)管在工作時(shí)，參與導(dǎo)電的載流子只有多數(shù)載流子（電子或空穴），所以稱為單極性器件；而晶體三極管除了多數(shù)載流子（電子或空穴）參與導(dǎo)電外，少數(shù)載流子（空穴或電子）也參與導(dǎo)電，故稱為雙極性器件。因此，場效應(yīng)管受溫度、輻射等激發(fā)因素的影響小，噪聲系數(shù)低；而晶體三極管容易受溫度、輻射等外界因素影響，噪聲系數(shù)也大。（3）場效應(yīng)管的輸入端幾乎沒有電流，所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高，可達(dá)數(shù)百兆歐以上；而三極管的發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，因此基極b與發(fā)射極e間的輸入電阻較小，一般只有幾百歐至幾十千歐。3.3.1各類場效應(yīng)管的特性比較（4）由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有時(shí)漏極和源極可以互換使用，而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響，因而應(yīng)用時(shí)比較方便、靈活。如果制造時(shí)場效應(yīng)管的襯底與源極相連，其漏極與源極是不可以互換使用的。但晶體三極管的集電極與發(fā)射極是不能互換使用的。（5）場效應(yīng)管的制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。特別是MOS電路，每個(gè)MOS場效應(yīng)管的硅片上所占的面積只有晶體三極管的5%，因此集成度更高。此外，場效應(yīng)管還有制造成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。（6）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小，當(dāng)組成放大電路時(shí)，在相同的負(fù)載電阻下，電壓放大倍數(shù)比晶體三極管低。3.4場效應(yīng)管的主要參數(shù)及使用注意事項(xiàng)

3.4.1場效應(yīng)管的主要參數(shù)3.4.2場效應(yīng)管的檢測(cè)及使用注意事項(xiàng)

3.4.1場效應(yīng)管的主要參數(shù)1．夾斷電壓UP2．開啟電壓UT3．漏極飽和電流IDSS4．擊穿電壓U（BR）DS5．直流輸出電阻RGS3.4.1場效應(yīng)管的主要參數(shù)6．交流輸出電阻rd輸出電阻的定義用公式表示為：

它說明了uDS對(duì)iD的影響，在恒流區(qū)（即線性放大區(qū)），iD幾乎不隨uDS的變化而變化。因此，rd的數(shù)值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間。7．低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）gm在UDS等于常數(shù)時(shí)，漏極電流的變化量與柵源電壓變化量之比，稱為互導(dǎo)gm，即：3.4.1場效應(yīng)管的主要參數(shù)8．最大耗散功率PDMPDM=iD×uDS

它是以發(fā)熱的形式表現(xiàn)的，耗散功率大，會(huì)使管子的溫度升高。為了管子的安全工作，就要限制其溫度不要升得太高，這就是場效應(yīng)管所允許的耗散功率最大值。除了以上參數(shù)外，場效應(yīng)管還有噪聲系數(shù)、高頻參數(shù)、極間電容等其他參數(shù)。一般情況下，場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，極間電容較大。3.4.2場效應(yīng)管的檢測(cè)及使用注意事項(xiàng)一、檢測(cè)由于絕緣柵型（MOS）場效應(yīng)管輸入電阻很高，不宜用萬用表測(cè)量，必須用測(cè)試儀測(cè)量，而且測(cè)試儀必須良好接地，測(cè)試結(jié)束后應(yīng)先短接各電極放電，已防外來感應(yīng)電勢(shì)將柵極擊穿。3.4.2場效應(yīng)管的檢測(cè)及使用注意事項(xiàng)二、使用注意事項(xiàng)（1）在MOS管中，有的產(chǎn)品將襯底引出，這種管子有4個(gè)管腳，可讓使用者根據(jù)電路的需要任意連接。一般來說，襯底引線的連接應(yīng)保證與襯底有關(guān)的PN結(jié)處于反偏，以實(shí)現(xiàn)襯底與其他電極的隔離。但在某些特殊的電路中，當(dāng)源極的電位很高或很低時(shí)，為減輕襯底間電壓對(duì)管子導(dǎo)電性能的影響，可將源極與襯底連接在一起。3.4.2場效應(yīng)管的檢測(cè)及使用注意事項(xiàng)（2）從結(jié)構(gòu)上看，場效應(yīng)管的漏極與源極是對(duì)稱的，可以互換使用。但有些產(chǎn)品制作時(shí)已將襯底與源極在內(nèi)部連在一起，這種管子的漏極與源極是不可以互換使用的，使用時(shí)必須注意。（3）由于MOS場效應(yīng)管的輸入電阻可以高達(dá)1015Ω，因此由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄露，而柵極上的SiO2絕緣層又很薄，這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強(qiáng)度，以致于引起絕緣層擊穿而損壞管子。為此，在存放時(shí)應(yīng)將各電極引線短接。3.4.2場效應(yīng)管的檢測(cè)及使用注意事項(xiàng)（4）焊接時(shí)，電烙鐵必須有外接地線，以屏蔽交流電場，防止損壞管子。最好是斷電后利用烙鐵的余熱焊接。（5）結(jié)型場效應(yīng)管可以在開路狀態(tài)下保存，但柵極與源極之間的PN結(jié)不能加正向電壓，否則燒壞管子。（6）在使用場效應(yīng)管時(shí)，要注意漏-源電壓、漏極電流及耗散功率等，不要超過規(guī)定的最大允許值。3.5場效應(yīng)管放大電路

3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析與晶體三極管一樣，根據(jù)輸入、輸出回路公共端選擇不同，將場效應(yīng)管放大電路分成共源、共漏和共柵3種組態(tài)。由于場效應(yīng)管具有輸入電阻高的特點(diǎn)，一般很少將場效應(yīng)管接成共柵組態(tài)的放大電路。因此，本節(jié)主要介紹常用的共源和共漏極兩種放大電路。3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)一、自給偏壓電路通常場效應(yīng)管設(shè)置偏置的方式有兩種，即自給偏壓電路和分壓式偏置電路。適用于耗盡型場效應(yīng)管。如圖3-12所示。圖中Rg（幾兆歐）只是構(gòu)成直流通路，通過Rg將Rs兩端的直流電壓加到G-S之間，因柵極電流IG≈0，所以電路中柵極的靜態(tài)電位VG≈0V，因而有：UGS=VG－IDRs≈－IDRs

3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)圖3-12自給偏壓電路

3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)確定靜態(tài)工作點(diǎn)ID和UGS的值，一般可采用兩種方法：圖解法和計(jì)算法。（1）圖解法ID與UGS是線性關(guān)系，通過作圖可求出Q點(diǎn)的坐標(biāo)值為（UGSQ，IDQ），然后再列出輸出回路的電壓方程，即：UDSQ=VCC－IDQ（Rd+Rs）圖解分析如圖3-13所示。3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)圖3-13圖解法分析靜態(tài)工作點(diǎn)

3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)（2）計(jì)算法靜態(tài)值時(shí)，耗盡型場效應(yīng)管的iD

與uGS之間的關(guān)系可用下式表示：（A）由輸入回路有：UGS=VG－IDRs≈－IDRs（B）解方程組（A）、（B）即可求得靜態(tài)時(shí)的IDQ和UGSQ值。再由輸出回路列出電壓方程，代入之后即可求得UDSQ值。3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)二、分壓式偏置電路

電路如圖3-14所示。該電路的柵源間偏置電壓為：

該放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算仍可采用圖解法或計(jì)算法求出。3.5.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)圖3-14分壓式偏壓電路

3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析一、場效應(yīng)管的微變等效電路圖3-15場效應(yīng)管微變等效電路

3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析二、共源極放大電路

圖3-14所示電路就是一個(gè)典型的共源放大電路，它類似于晶體三極管的共發(fā)射極放大電路，其交流等效電路如圖3-16所示。

3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析圖3-16共源放大電路的等效電路

由于Rg1、Rg2主要用來確定靜態(tài)工作點(diǎn)，所以輸入電阻主要由Rg3確定。一般Rg3阻值都較高，常為幾百千歐至幾兆歐，甚至幾十兆歐。

3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析（1）電壓放大倍數(shù)Au（2）輸入電阻ri（3）輸出電阻roro=Rd

3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析三、共漏極放大電路（源極輸出器）電路如圖3-17（a）所示，其微變等效電路如圖3-17（b）所示。（1）電壓放大倍數(shù)Au

式中：id=gmugs

3.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路分析（2）輸入電阻ri（3）輸出電阻ro求輸出電阻的等效電路如圖3-1