模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

2/7/202312:34:43PM第4章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

2/7/202312:34:43PM基本要求了解場(chǎng)效應(yīng)管的分類、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的結(jié)構(gòu)、工作原理；熟悉輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線，以及場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)；掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大電路的組成、分析方法和應(yīng)用。2/7/202312:34:43PMFET特點(diǎn)

場(chǎng)效應(yīng)管根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，分為兩大類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)和金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），其中包括耗盡型和增強(qiáng)型。本章先介紹JFET和MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)，再討論場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的3種組態(tài)：共源極、共漏極和共柵極放大電路。BJT工作在放大區(qū)時(shí)，輸入回路的PN結(jié)(BE結(jié))加正向偏壓，輸入阻抗小，且屬于電流控制電流器件。場(chǎng)效應(yīng)管(FET)雖然也是一種具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，但它是利用器件內(nèi)部的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出電流的大小，其輸入回路的PN結(jié)通常工作在反偏壓或絕緣狀態(tài)，輸入阻抗很高(107～1012)。FET具有體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)、內(nèi)部噪聲小、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單以及便于集成等特點(diǎn)。

2/7/202312:34:43PM4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)

4.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.1.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

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如圖4-1a所示，在一塊N型半導(dǎo)體材料的各分別擴(kuò)散一個(gè)高參雜濃度的P型區(qū)(用P+表示)，兩側(cè)P+區(qū)與N溝道交界處形成兩個(gè)PN結(jié)，由于P+區(qū)內(nèi)側(cè)耗盡層非常窄，可見這兩個(gè)PN結(jié)都是非對(duì)稱PN結(jié)。

兩邊P+區(qū)各引出一個(gè)歐姆接觸電極并連接在一起，稱為柵極G(Gate)；在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)歐姆接觸電極，分別稱為源極S(Source)和漏極D(Drain)。兩個(gè)PN結(jié)之間的N型區(qū)域稱為N型導(dǎo)電溝道，簡(jiǎn)稱N溝道。N溝道JFET的符號(hào)如圖4-1c所示，其中，箭頭所指方向表示柵極和源極之間的PN結(jié)加正向偏壓時(shí)，柵極電流的方向是從P指向N。

如圖4-1b所示為P型溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖，其符號(hào)如圖4-1c所示。對(duì)于P溝道JFET，在使用過(guò)程中，除了直流電源電壓極性和漏極電流的方向與N型溝道JFET相反外，兩者的工作原理完全一樣。

2/7/202312:34:43PM4.1.2N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

2/7/202312:34:43PM4.1.2.1對(duì)導(dǎo)電溝道和的控制作用

導(dǎo)電溝道溝道變窄溝道夾斷2/7/202312:34:43PM2/7/202312:34:43PM溝道最寬但電流為零溝道變窄2/7/202312:34:43PM溝道預(yù)夾斷溝道夾斷2/7/202312:34:43PM2/7/202312:34:43PM(4-1)2/7/202312:34:43PM4.1.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

(4-2)圖4-5a所示N溝道JFET的輸出特性曲線。2/7/202312:34:43PM可變電阻區(qū)截止區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)轉(zhuǎn)移特性2/7/202312:34:43PM2/7/202312:34:43PM2/7/202312:34:43PM2．轉(zhuǎn)移特性曲線

(4-3)(4-4)2/7/202312:34:43PM4.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IG-FET)

2/7/202312:34:43PM4.2.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET

4.2.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)絕緣層襯底呂電極2/7/202312:34:43PM

在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體材料(襯底)上，利用擴(kuò)散工藝在襯底上形成兩個(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)域(用N+表示)，并在此N區(qū)域上引出兩個(gè)接觸電極(鋁電極)，分別稱為源極(S)和漏極(D)，兩個(gè)電極之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層，該絕緣層上再沉積金屬鋁層并引出電極作為柵極(G)，從襯底引出的電極稱為襯底電極(B)，通常將襯底電極和柵極連接在一起使用。2/7/202312:34:43PM4.2.1.2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理

2/7/202312:34:43PM反型層導(dǎo)電溝道2/7/202312:34:43PM導(dǎo)電溝道發(fā)生變化導(dǎo)電溝道夾斷2/7/202312:34:43PM2/7/202312:34:43PM2/7/202312:34:43PM4.2.1.3N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線也分為輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，如圖4-8所示。

圖4-8b為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性曲線，輸出特性同樣分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)(飽和區(qū))、擊穿區(qū)和截止區(qū)。2/7/202312:34:43PM(4-6)2/7/202312:34:43PM4.2.2N溝道耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-9a所示。耗盡型MOSFET的符號(hào)如圖4-9b所示。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于N溝道耗盡型MOSFET在制造過(guò)程中在柵源之間的SiO2中注入一些離子(圖中4-9中用“＋”表示)，使漏源之間的導(dǎo)電溝道在時(shí)導(dǎo)電溝道就已經(jīng)存在了，這一溝道稱為初始溝道。

2/7/202312:34:43PM“＋”離子導(dǎo)電溝道2/7/202312:34:43PM(4-7)2/7/202312:34:43PM4.2.3MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng)

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在使用時(shí)應(yīng)注意其分類，不能隨意互換。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高(包括MOS集成電路)極易被靜電擊穿，使用時(shí)應(yīng)注意以下規(guī)則。

(1)MOS器件啟用前通常由生產(chǎn)廠家將MOS器件裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便用其他塑料袋裝。也可用細(xì)銅線把各個(gè)引腳連接在一起(或用錫紙包裝)，以防被靜電擊穿。

(2)已取出的MOS器件不能在塑料板上滑動(dòng)，應(yīng)用金屬盤來(lái)盛放待用器件。

(3)焊接用的電烙鐵必須良好接地，不具備條件時(shí)可將電烙鐵拔離交流電源插座再焊接。

(4)在焊接前先將把電路板的電源線與地線短接，待MOS器件焊接完成后再恢復(fù)。

(5)焊接MOS器件各引腳的順序是漏極、源極、柵極。拆卸MOS器件時(shí)順序相反。

(6)電路板在裝機(jī)之前先用良好接地的線夾子去碰觸機(jī)器的各接線端子，再把電路板接上去。

(7)生產(chǎn)過(guò)程中，在人體可能接觸MOS器件的時(shí)，操作人員的手腕應(yīng)帶靜電屏蔽套，并將屏蔽套可靠接地。2/7/202312:34:43PM4.2.4雙柵場(chǎng)效應(yīng)管(DGFET)

雙柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩個(gè)柵極，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-12所示。由于雙柵MOSFET具有上、下兩個(gè)柵，增強(qiáng)了對(duì)溝道的控制能力。對(duì)于厚膜雙柵MOSFET,硅膜在正面、背面柵壓作用下的最大反型區(qū)域小于硅膜厚度,即兩個(gè)反型溝道相對(duì)獨(dú)立,而硅膜的中間部分沒有反型,沒有電流通道。在這種狀況下,雙柵MOSFET相當(dāng)于兩個(gè)普通體硅MOSFET的簡(jiǎn)單并聯(lián)。導(dǎo)電溝道2/7/202312:34:43PM

國(guó)產(chǎn)N溝道MOSFET的典型產(chǎn)品單柵管有3DO1、3DO2、3DO4等，雙柵管有4DO1等。

雙柵極FET雙柵極FET等效雙柵極FET引腳圖2/7/202312:34:43PM4.3.1FET的主要參數(shù)

1．直流參數(shù)1)夾斷電壓2)開啟電壓3)飽和電流4)直流輸入電阻2.交流參數(shù)

1)低頻跨導(dǎo)(互導(dǎo))(4-11)(4-12)2/7/202312:34:43PM對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，將式(4-6)代入(4-11)得到增強(qiáng)型MOSFET的跨導(dǎo)為(4-13)2)輸出電阻(4-14)2/7/202312:34:43PM3．極限參數(shù)

2/7/202312:34:43PM4.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

FET放大電路的分析方法與BJT放大電路的分析方法基本相同，可以用圖解法和低頻小信號(hào)等效(微變等效)電路法。4.4.1直流分析

與BJT放大電路相似，給FET柵極提供直流電壓的電路稱為偏置電路。FET的偏置電路分為固定偏置電路、自給偏置電路和分壓式偏置電路三種。

2/7/202312:34:43PM1)固定偏置電路共源組態(tài)的基本放大電路如圖4-14所示。

圖4-14a是為FET提供負(fù)偏壓的固定偏置放大電路，偏置電壓由外加電壓提供，由于FET的輸入電阻很大，流過(guò)柵極的電流幾乎為零。因此，兩端的電壓降為零(4-15)2/7/202312:34:43PM

與BJT固定偏置電路一樣，圖4-14a所示FET固定偏置電路也存在著工作點(diǎn)不穩(wěn)定的缺陷，因此，實(shí)際應(yīng)用中很少使用，更常用的是自給偏壓電路和分壓式偏置電路。

2)自給偏置電路

偏置電阻2/7/202312:34:43PM(4-16)這種偏置電壓是由FET的電流產(chǎn)生的，所以稱為自給偏壓。

(4-17)只要將式(4-16)與(4-17)聯(lián)立求解，就可以求出靜態(tài)時(shí)漏極電流和柵源電壓。

漏極電流求出后，根據(jù)圖4-14b所示電路的輸出回路(漏極回路)列出KVL方程：(4-18)2/7/202312:34:43PM3）分壓式自給偏壓電路

2/7/202312:34:43PM(4-20)(4-22)將(4-16)與(4-22)聯(lián)立求解，可以得到靜態(tài)時(shí)漏極電流和柵源電壓的值。

(4-21)

利用式(4-20)獲得合適的較為方便，因此，分壓式自給偏壓電路不僅適用于增強(qiáng)型FET放大電路，也同樣適用于耗盡型FET放大電路。2/7/202312:34:43PM4.4.2小信號(hào)模型分析

4.4.2.1FET的小信號(hào)等效模型

FET的輸出特性可知

(4-24)是式(4-11)表示的跨導(dǎo)是式(4-12)表示的FET輸出電阻的倒數(shù)。

2/7/202312:34:43PM(4-25)為跨導(dǎo),單位為mA/V或mS

稱為FET漏極電阻率，單位為分布電容2/7/202312:34:43PM4.4.2.2小信號(hào)模型分析方法

1.共源極放大電路分析

FET放大電路的分析方法和BJT放大電路的分析方法相同。給出電路后首先應(yīng)該分析電路中各元器件的作用，然后畫出該電路的低頻小信號(hào)等效電路圖，再根據(jù)定義計(jì)算電路中的相關(guān)參數(shù)。2/7/202312:34:43PM

將圖4-17所示共源極放大電路的交流通路和小信號(hào)微變等效電路繪成圖，如圖4-18所示。2/7/202312:34:43PM1)電壓增益(4-26)式(4-26)中的“—”號(hào)表示共源極放大器的倒相作用。2)電流增益

(4-27)2/7/202312:34:43PM3)輸入電阻

(4-28)4)輸出電阻(4-29)2/7/202312:34:43PM5)源電壓增益(4-30)4.4.3共漏極