場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1場效應(yīng)晶體管3.2場效應(yīng)管放大電路第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路作業(yè)思考：3-1習(xí)題：3-3、3-4、3-7、3-11第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路本章的重點與難點重點:理解場效應(yīng)管的工作原理；掌握場效應(yīng)管的外特性及主要參數(shù)；掌握場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點與動態(tài)參數(shù)（Au、Ri、Ro）的分析方法。難點:通過外部電壓對導(dǎo)電溝道的控制作用說明結(jié)型場效應(yīng)管及絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

分類：結(jié)型(JFET)

絕緣柵型(IGFET)

場效應(yīng)管輸入回路內(nèi)阻很高(107~1015)，熱穩(wěn)定性好，噪聲低，比晶體管耗電小，應(yīng)用廣泛。僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。

場效應(yīng)管（FET）：是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。3.1場效應(yīng)晶體管第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管是在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個高摻雜的P區(qū)。N溝道結(jié)構(gòu)示意圖SiO2N源極S柵極G漏極D

NNPP1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

將它們連接在一起引出電極柵極G。N型半導(dǎo)體分別引出漏極D、源極S。P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導(dǎo)電溝。

第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路結(jié)型場效應(yīng)管的符號N溝道符號dsgdsgP溝道符號結(jié)型場效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種類型。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路2.工作原理－－電壓控制作用d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖

若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，便實現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場控制導(dǎo)電溝道中電流強(qiáng)弱的目的。

在N型硅材料兩端加上一定極性的電壓，多子在電場力的作用下形成電流ID。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實現(xiàn)了UGS對溝道電流ID的控制。d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理－－電壓控制作用正常工作時：

在柵-源之間加負(fù)向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓)漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路1)當(dāng)UDS=0時，UGS對導(dǎo)電溝道的控制

當(dāng)UGS=0時，耗盡層很窄,導(dǎo)電溝道寬。

隨|UGS|增大，耗盡層增寬，溝道變窄，電阻增大。

|UGS|增加到某一數(shù)值,耗盡層閉和,溝道消失,溝道電阻趨于無窮大。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路1)當(dāng)UDS=0時，UGS對導(dǎo)電溝道的控制由于PN結(jié)反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。|UGS|增加到某一數(shù)值，耗盡層閉和，溝道消失，溝道電阻趨于無窮大。定義此時UGS的值為夾斷電壓UGS（off）

第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路dsgUDSID2）ｇ、ｓ間短路，ｄ、ｓ間加正向電壓

當(dāng)UDS

=0時，雖有導(dǎo)電溝道，但I(xiàn)D為零。當(dāng)UDS0時，產(chǎn)生ID，但溝道中各點和柵極之間電壓不再相等，近漏極電壓最大，近源極電壓最小。

導(dǎo)電溝道寬度不再相等，近漏極溝道窄，近源極溝道寬。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路dsgUDSID

隨著UDS增加，柵-漏電壓|UGD|增加，近漏端溝道進(jìn)一步變窄。只要漏極附近的耗盡區(qū)不出現(xiàn)相接，溝道電阻基本決定于UGS。2）ｇ、ｓ間短路，ｄ、ｓ間加正向電壓

隨著UDS

的增加，ID線性增加。d—s間呈電阻特性。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路UDSdsgAID

預(yù)夾斷時，導(dǎo)電溝道內(nèi)仍有電流ID

。

隨著UDS增加，當(dāng)UGD=UGS-

UDS=

UGS（off）時,靠近漏極出現(xiàn)夾斷點。稱UGD=UGS（off）為預(yù)夾斷。2）ｇ、ｓ間短路，ｄ、ｓ間加正向電壓第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路UDSdsgAID

預(yù)夾斷之后，UDS

再增加，預(yù)夾斷延伸,夾斷區(qū)長度增加（AA'）。夾斷區(qū)的阻力增大。

此時的ID稱為“飽和漏極電流IDSS”A'

由于UDS的增加幾乎全部落在夾斷區(qū)，漏極電流ID基本保持不變。2）ｇ、ｓ間短路，ｄ、ｓ間加正向電壓第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

UGS

增加，使導(dǎo)電溝道變窄，ｄ、ｓ間的正電壓使溝道不等寬。dsgUDSUGSID3）ｇ、ｓ間加負(fù)向電壓，ｄ、ｓ間加正向電壓

導(dǎo)電溝道夾斷后，ID幾乎僅僅決定于UGS而與UDS

基本無關(guān)。

第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

當(dāng)UGS一定時，ID表現(xiàn)出恒流特性。此時可以把ID近似看成UGS控制的電流源。dsgUDSUGSID3）ｇ、ｓ間加負(fù)向電壓，ｄ、ｓ間加正向電壓

稱場效應(yīng)管為電壓控制元件。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路1）UGD>UGS（off）時（未出現(xiàn)夾斷前），對于不同的UGS，漏源之間等效成不同阻值的電阻，ID隨UDS的增加線性增加。（對應(yīng)可變電組區(qū)）2）UGD=UGS（off）時，漏源之間預(yù)夾斷。3）UGD<UGS（off）時，

ID幾乎只決定于UGS，而與UDS

無關(guān)，可以把ID近似看成UGS控制的電流源。（對應(yīng)恒流區(qū)，即放大區(qū)）通過以上分析有：第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性（輸出特性和轉(zhuǎn)移特性）ID

=f(UDS)UGS=常數(shù)（1）輸出特性曲線（因場效應(yīng)管柵極電流幾乎為零，不討論輸入特性。）場效應(yīng)管工作區(qū)域：IDUDS可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）恒流區(qū)（電流飽和區(qū)、放大區(qū)）夾斷區(qū)（截止區(qū)）擊穿區(qū)（電流突然增大）第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

（預(yù)夾斷軌跡：通過連接各曲線上UGD=UGS（off）的點而成。）

條件：UGD>UGS（off）。

特點：可通過改變UGS來改變漏源間電阻值。1)可變電阻區(qū)

IDUDS第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路條件：UGD<UGS（off）特點：ID只受UGS控制。2)恒流區(qū)ID為UGS控制的電流源。IDUDS第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

導(dǎo)電溝道全部夾斷。條件：｜UGS｜

UGS（off）

特點：ID04)擊穿區(qū)

UDS增加到一定程度，電流急劇增大。3)夾斷區(qū)（截止區(qū)）IDUDS第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路(2)轉(zhuǎn)移特性曲線ID

=f(uGS)UDS=常數(shù)

由半導(dǎo)體物理分析可得恒流區(qū)ID近似表達(dá)式為：30–1–2–3

UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12IDSSUGS=0時產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

（管子工作在可變電阻區(qū)時，不同的uDS

，轉(zhuǎn)移特性曲線有很大差別。）N溝結(jié)型場效應(yīng)管，柵源之間加反向電壓。

P溝結(jié)型場效應(yīng)管，柵源之間加正向電壓。(2)轉(zhuǎn)移特性曲線30–1–2–3

UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12IDSSUGS=0時產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路432104812UGS

=0V–3V–4V輸出特性轉(zhuǎn)移特性123–1V–20–1–2–3uGS/VUGs(off)uDS/ViD/mAiD/mA轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系–44第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1.2絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管)柵-源電壓為零時無導(dǎo)電溝道的管子稱為增強(qiáng)型。柵-源電壓為零時已建立導(dǎo)電溝道的管子稱為耗盡型。MOS管分類：

N溝道（NMOS）增強(qiáng)型耗盡型

P溝道（PMOS）增強(qiáng)型耗盡型

絕緣柵型場效應(yīng)管采用sio2絕緣層隔離，柵極為金屬鋁，又稱為MOS管。

第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路1.N溝道增強(qiáng)型MOS管

通常襯底和源極連接在一起使用。P型硅襯底源極S柵極G漏極D

襯底引線BN+N+SiO2（1）結(jié)構(gòu)

柵極和襯底各相當(dāng)于一個極板，中間是絕緣層，形成電容。

柵-源電壓改變時，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路DBSGN溝道符號DBSGP溝道符號增強(qiáng)型MOS管符號第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路（2）工作原理1）UGS

=0時：P襯底BN+N+SGDD與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，ID

=0。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路（2）工作原理P耗盡層襯底BN+N+SGD2）UGS

>0UDS

=0：

由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層將聚集大量正電荷，排斥P型襯底靠近SiO2的空穴，形成耗盡層。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3）UGS繼續(xù)增加,UDS

=0:P襯底BN+N+SGD反型層

使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓UGS(th)

。（2）工作原理

耗盡層增寬,將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間。形成N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。

UGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

將產(chǎn)生一定的漏極電流ID

。溝道中各點對柵極電壓不再相等，導(dǎo)電溝道寬度不再相等，沿源-漏方向逐漸變窄。

ID隨著的UDS增加而線性增大。P襯底BN+N+SGD4）UGS>UGS(th)

，UDS>0：（2）工作原理第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路5）UGS

>UGS(th),UGD

=UGS(th)

：P襯底BN+N+SGD（2）工作原理

隨著UDS的增大，UGD減小，當(dāng)UDS增大到UGD=UGS(th)時

，導(dǎo)電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預(yù)夾斷。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路5）UGS

>UGS(th),UGD

=UGS(th)

：P襯底BN+N+SGD

若UDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)延長。漏電流ID幾乎不變化，管子進(jìn)入恒流區(qū)。ID幾乎僅僅決定于UGS。此時可以把ID近似看成UGS控制的電流源。（2）工作原理第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)（3）特性曲線4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS

/

VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA夾斷區(qū)第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路ID和UGS的近似關(guān)系：IDO是UGS

=2UGS(th)時的ID。UDS=10V0123246UGS

/

VUGs(th)ID/mAIDO（3）特性曲線第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

制造時,在sio2絕緣層中摻入大量的正離子,即使UGS

=0，在正離子的作用下，源-漏之間也存在導(dǎo)電溝道。只要加正向UDS

，就會產(chǎn)生ID。結(jié)構(gòu)示意圖P源極S漏極D

柵極GBN+N+正離子反型層SiO22.N溝道耗盡型MOS管(1)結(jié)構(gòu)

只有當(dāng)UGS小于某一值時，才會使導(dǎo)電溝道消失，此時的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)

。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路dN溝道符號BsgP溝道符號dBsgMOS管符號DBSGN溝道符號DBSGP溝道符號耗盡型MOS管符號增強(qiáng)型MOS管符號第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路N溝道耗盡型MOS管的特性曲線（2）特性曲線432104812UGS

=1V–2V–3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性1230V–1012–1–2–3UGS/VIDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mA第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路NMOS耗盡型PMOS耗盡型場效應(yīng)管的符號及特性第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路NMOS增強(qiáng)型PMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的符號及特性第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路P溝道結(jié)型N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的符號及特性第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

例：測得某放大電路中三個MOS管的三個電極的電位及它們的開啟電壓如表所示。試分析各管的工作狀態(tài)（截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號UGS(th)/VUS/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513T2-43310T3-4605恒流區(qū)截止區(qū)可變電阻區(qū)第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th)UDS為固定值能產(chǎn)生漏極電流ID所需的柵-源電壓UGS的最小值,它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。（NMOS管為正，PMOS管為負(fù)）

（2）夾斷電壓UGS(off)

UDS為固定值使漏極電流近似等于零時所需的柵-源電壓。是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)（NMOS管為負(fù)，PMOS管為正）。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

（4）直流輸入電阻RGS（DC）

柵-源電壓與柵極電流的比值，其值很高,一般為107-1010左右。

（3）飽和漏極電流IDSS

對于耗盡型MOS管,在UGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流。1.直流參數(shù)第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路2.交流參數(shù)gm=iD

/

uGSUDS=常數(shù)

gm是衡量柵-源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數(shù)。（1）低頻跨導(dǎo)gm

管子工作在恒流區(qū)并且UDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵-源電壓的微變量之比稱為低頻跨導(dǎo),即第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路2.交流參數(shù)（2）交流輸出電阻rds

rds反映了UDS對ID的影響，是輸出特性曲線上Q點處切線斜率的倒數(shù)．rds在恒流區(qū)很大。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.極限參數(shù)(1)最大漏極電流IDM

管子正常工作時漏極電流的上限值。(2)最大漏源電壓UDS(BR)

管子進(jìn)入恒流區(qū)后，使漏極電流驟然增加的UDS稱為漏-源擊穿電壓。(管子的極限參數(shù)，使用時不可超過。)第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路(3)最大柵源電壓UGS(BR)

對于結(jié)型場效應(yīng)管，使柵極與溝道間反向擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。對于絕緣柵型場效應(yīng)管，使絕緣柵層擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。(4)最大耗散功率PDMPDM決定于管子允許的溫升。3.極限參數(shù)第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路1.場效應(yīng)管利用柵源電壓控制漏極電流，是電壓控制元件，柵極基本不取電流（很?。斎牖芈冯娮韬艽?；晶體管利用基極電流控制集電極電流，是電流控制元件，基極索取一定電流，輸入阻抗較小。

場效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d對應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c，能實現(xiàn)對信號的控制。3.1.4場效應(yīng)管與雙極型晶體管的

比較第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路2.晶體管的放大倍數(shù)通常比場效應(yīng)管大。3.場效應(yīng)管只有多子導(dǎo)電，而晶體管多子和少子均參與導(dǎo)電，場效應(yīng)管比晶體管熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。4.場效應(yīng)管比晶體管噪聲系數(shù)小。5.場效應(yīng)管源極、漏極可以互換使用，互換后特性變化不大；而晶體管的發(fā)射極和集電極互換后特性差異很大,一般不能互換使用。3.1.4場效應(yīng)管與雙極型晶體管的

比較第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路6.場效應(yīng)管的種類比晶體管多，特別對于耗盡型MOS管，柵-源控制電壓可正可負(fù)，均能控制漏極電流。7.MOS管的柵極絕緣，外界感應(yīng)電荷不易泄放。8.場效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開關(guān)電路，但場效應(yīng)管具有集成工藝簡單，工作電源電壓范圍寬，耗電省、低功耗等特點，目前越來越多的應(yīng)用于集成電路中。3.1.4場效應(yīng)管與雙極型晶體管的

比較第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.2場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)管放大電路與晶體管電路的比較1.相同之處2.不同之處能實現(xiàn)對信號的控制；三種組態(tài)相對應(yīng)；分析方法相同。

為實現(xiàn)放大，對FET，在柵極回路加適當(dāng)偏壓；而對BJT則加適當(dāng)?shù)钠?。?章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

場效應(yīng)管放大電路也必須建立合適的靜態(tài)工作點，保證有輸入信號時工作在恒流區(qū)。3.2.1場效應(yīng)管放大電路的直流偏置及靜態(tài)分析1.自給偏壓電路

此電路形式只適用于耗盡型MOS器件。

靜態(tài)時RG的電流近似為零，靠源極電阻上的電壓為柵-源提供一個負(fù)偏壓。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路1.自給偏壓電路

靜態(tài)工作點分析（柵極電流為0）（耗盡型MOS管的電流方程）第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路２.分壓式偏置電路電路結(jié)構(gòu)直流通路第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路靜態(tài)工作點分析（柵極電流為0）IDQ

UGSQ（增強(qiáng)型MOS管的電流方程）第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路解：（求靜態(tài)，電容開路）。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路（本例IDQ不應(yīng)大于IDSS)第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路３.２.２用微變等效電路法分析場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)參數(shù)１．場效應(yīng)管的交流低頻小信號模型求全微分

與分析晶體管的h參數(shù)等效模型相同，將場效應(yīng)管也看成兩端口網(wǎng)絡(luò)。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路低頻小信號模型

gm是輸出回路電流與輸入回路電壓之比，稱跨導(dǎo),電導(dǎo)量綱。rds是描述MOS管輸出特性曲線上翹程度的參數(shù)，等效為電阻，在幾十~幾百千歐之間。通常rds可視為開路。將輸出回路只等效為一個受控電流源。１．場效應(yīng)管的交流低頻小信號模型第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路sdg+_.