模擬電子技術(shù) 場效應(yīng)管及其放大電路

場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。

從場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有兩大類。

1.結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)

2.絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）5場效應(yīng)管放大電路14場效應(yīng)管放大電路2.分類FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型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）1.場效應(yīng)管的特點(diǎn)(1)它是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場強(qiáng)度來控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。(2)它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，(3)還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點(diǎn)。(4)在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。25.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)35.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET絕緣柵型增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道絕緣柵型場效應(yīng)管MetalOxideSemiconductor——MOSFET耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道41.結(jié)構(gòu)(動(dòng)畫)5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET

一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。

N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，5N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱之為MOS管增強(qiáng)型62.N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的工作原理（1）柵源電壓VGS的控制作用當(dāng)VGS=0V時(shí)因?yàn)槁┰粗g被兩個(gè)背靠背的PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓,在D、S間也不可能形成電流。當(dāng)0＜VGS＜VT(開啟電壓)時(shí)通過柵極和襯底間的電場作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。UDSID++--++--UGS7的N型溝道。把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時(shí)，若在漏源間加電壓VDS，就能產(chǎn)生漏極電流

ID，即管子開啟。

VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS

電壓作用下，ID越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓VGS對(duì)輸出電流ID的控制。當(dāng)VGS＞VT時(shí)，襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)（1）柵源電壓VGS的控制作用UDSID++--++--++++----UGS反型層8柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用(動(dòng)畫)9（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0時(shí)無導(dǎo)電溝道，

d、s間加電壓時(shí)，也無電流產(chǎn)生。當(dāng)0<vGS

<VT時(shí)產(chǎn)生電場，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒有電流產(chǎn)生。當(dāng)vGS

>VT時(shí)在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。

vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT稱為開啟電壓2.工作原理102.工作原理(2)漏源電壓VDS

對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS當(dāng)UDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)UGD＞UT此時(shí)UDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在UDS作用下形成IDSect11Sect基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)UDS增加到使UGD=UT時(shí)，當(dāng)UDS增加到UGDUT時(shí)，增強(qiáng)型MOS管這相當(dāng)于UDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。此時(shí)的漏極電流ID

基本飽和此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。UDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。2.工作原理(2)VDS

對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響(動(dòng)畫)12當(dāng)VGS＞VT，且固定為某一值時(shí)，

VDS對(duì)ID的影響，即ID=f(VDS)VGS=const。這一關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)2406102013輸出特性曲線2.可變電阻區(qū)：

iD與vDS的關(guān)系近線性

iD≈2Kn(vGS-VT)vDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)當(dāng)vGS變化時(shí)，rdso將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)當(dāng)vGS一定時(shí)，rdso近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)Sect1.截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。Kn—導(dǎo)電因子（mA/V2)n—溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX—單位面積柵氧化層電容W—溝道寬度L—溝道長度Sn—溝道長寬比K'—本征導(dǎo)電因子14輸出特性曲線3.恒流區(qū)：

該區(qū)內(nèi)，vGS一定，iD基本不隨vDS變化而變4.擊穿區(qū)：

vDS

增加到某一值時(shí)，iD開始劇增而出現(xiàn)擊穿。

當(dāng)vDS

增加到某一臨界值時(shí)，iD開始劇增時(shí)vDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)是vGS＝2VT時(shí)的iD

15

vDS一定時(shí)，vGS對(duì)漏極電流iD的控制關(guān)系曲線

iD=f(vGS)vDS=C

轉(zhuǎn)移特性曲線vDS>vGS-vTvGS(V)iD(mA)VT在恒流區(qū)，iD與vGS的關(guān)系為iD≈Kn(vGS-VT)23.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程16

N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。因此，使用時(shí)無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會(huì)有漏極電流。當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小ID逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS值為夾斷電壓VP

。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）175.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流185.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）當(dāng)UGS=0時(shí)，UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示195.1.3P溝道MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。205.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，曲線是平坦的。

修正后215.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1.開啟電壓VT

（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，rds→∞

225.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)考慮到則其中235.1.5MOSFET的主要參數(shù)end三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

245.2JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)N型導(dǎo)電溝道漏極D(d)源極S(s)溝道電阻

——長度、寬度、摻雜P+P+反偏的PN結(jié)

——反偏電壓控制耗盡層結(jié)構(gòu)特點(diǎn):空間電荷區(qū)（耗盡層）柵極G(g)(動(dòng)畫)255.2.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.工作原理①VGS對(duì)溝道的控制作用②VDS對(duì)溝道的影響VGS=0VGS＜0(反偏)VGS=VP耗盡層加厚|VGS|

增加溝道變窄溝道電阻增大全夾斷（夾斷電壓）265.2.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.工作原理②VDS對(duì)溝道的影響VDS

IDGD間PN結(jié)的反向電壓增加,使靠近漏極處的耗盡層加寬,呈楔形分布。VGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。

VDS夾斷區(qū)延長,但I(xiàn)D基本不變272.工作原理③

VGS和VDS同時(shí)作用時(shí)(動(dòng)畫)285.2.2JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性1.輸出特性29與MOSFET類似3.主要參數(shù)5.2.2JFET的特性曲線及參數(shù)30各類場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型31絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型32結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型33雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道 PNP型絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電壓控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成5.3場效應(yīng)管放大電路

直流偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)

FET小信號(hào)模型

動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析

三種基本放大電路的性能比較

5.3.1直流偏置及靜態(tài)分析

5.3.2放大電路的小信號(hào)模型分析法355.3.1直流偏置電路及靜態(tài)分析對(duì)直流偏置電路的要求VP#

JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？365.3.1直流偏置電路及靜態(tài)分析1.直流偏置電路分壓式自偏壓電路自偏壓電路vGSvGS

=0－iDR場效應(yīng)管常用的偏置方式自給偏壓分壓式偏置37靜態(tài)分析a.方法一：圖解法(a)列寫輸出回路方程(c)作圖(b)列寫輸入回路方程+_+_38abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作輸出回路直流負(fù)載線作控制特性作輸入回路直流負(fù)載線OO39b.方法二：估算法輸入回路方程當(dāng)管子工作于放大區(qū)時(shí)兩式聯(lián)立可求得IDQ由此可得+_+_40共源組態(tài)接法基本放大電路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。分壓偏置放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分壓式偏置:增強(qiáng)型、耗盡型兩種偏置電路適用的FET自給偏壓：耗盡型415.3.2放大電路的小信號(hào)模型分析法

對(duì)于采用場效應(yīng)三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態(tài)接法的基本放大電路相對(duì)應(yīng)，只不過場效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。共源組態(tài)的基本放大電路如圖所示。(a)