電子電工學(xué)-模擬電子技術(shù)-第五章-場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)管(FET—FieldEffectTransistor)是利用電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件。它與普通晶體管相比有以下重要特點：

(1)它是一種電壓控制器件。工作時，管子的輸入電流幾乎為0，因此具有極高的輸入電阻(約數(shù)百兆歐以上)。

(2)輸出電流是僅由多子運動而形成的，故稱單極型器件(普通晶體管電流是由多子和少子兩種載流子形成，稱為雙極型器件)。因此，它的抗溫度和抗輻射能力強，工作較穩(wěn)定。

(3)制造工藝比較簡單，便于大規(guī)模集成，且噪聲較小。

(4)類型較多，使電路設(shè)計靈活性增大。

5場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管分類N（電子型）溝道MOSFET絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET(IGFET)結(jié)型場效應(yīng)管JFETP（空穴型）溝道增強型耗盡型增強型耗盡型重點：（1）FET的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點、分類（2）N溝道增強型FET的工作原理（3）MOSFET放大電路（4）JFET的工作原理金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管MESFET

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（絕緣柵場效應(yīng)管），或簡稱MOS場效應(yīng)管(MOSFET)。特點：輸入電阻可達109

以上。類型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型5.1、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在增強型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道1.結(jié)構(gòu)及符號5.1.1N溝道增強型MOSFETSourceDrainGate2.工作原理

MOSFET是利用柵源電壓vGS的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流iD的大小。絕緣柵場效應(yīng)管利用vGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流iD。1)vGS=0，沒有導(dǎo)電溝道當(dāng)柵源電壓vGS=0時，由于漏源間有兩個背靠背的PN結(jié)，不管漏源電壓vDS極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反偏的，漏源之間電阻很大，沒有形成導(dǎo)電溝道，基本上沒有電流流過，iD=0。(1)vGS對iD的控制作用2)vGS＞VT，出現(xiàn)N型溝道當(dāng)柵源電壓vGS＞0時，在vGS作用下，產(chǎn)生了垂直于襯底表面的電場，使P型區(qū)表層中的空穴被排斥，留下不能移動的負離子，形成耗盡層，同時P型區(qū)中的少數(shù)電子被吸引到襯底表面，當(dāng)vGS＞VT（開啟電壓,閥值電壓VGS（Th)）時，在表面形成一個N型導(dǎo)電溝道，稱之為反型層，構(gòu)成漏源間的N型導(dǎo)電溝道。1)vDS較小時，iD迅速增大當(dāng)vGS≥VT，即導(dǎo)電溝道形成后，外加較小的漏源電壓vDS時，漏極電流iD將隨vDS上升迅速增大，但由于溝道存在電位梯度，使導(dǎo)電溝道從源極到漏極逐漸變窄。(2)vDS對iD的影響2)vDS較大出現(xiàn)夾斷時，iD趨于飽和當(dāng)vDS增大到vGD=vGS-vDS=VT時，導(dǎo)電溝道在靠近漏極出現(xiàn)預(yù)夾斷，vDS繼續(xù)增加，夾斷區(qū)隨之加長，iD趨于飽和，基本保持預(yù)夾斷時的數(shù)值。小結(jié)當(dāng)vGS＜VT時，沒有導(dǎo)電溝道，iD=0。vGS≥VT時，導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成但未夾斷，vDS較小時，iD與vDS成線性關(guān)系。當(dāng)vDS增加，夾斷出現(xiàn)后，iD趨于飽和，幾乎不隨vDS變化而變化。iD受vGS控制，因此場效應(yīng)管是電壓控制電流源器件。在VGS=0時沒有導(dǎo)電溝道，而必須依靠柵源電壓的作用，才形成感生溝道的FET稱為增強型FET。(1)輸出特性與特性方程飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）當(dāng)vGS≥VT，且vDS≥vGS-VT時，截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0?？勺冸娮鑵^(qū)

vDS≤vGS-VT時，3.特性曲線與特性方程VGS＜VT，ID=0；VGS≥VT，形成導(dǎo)電溝道，隨著VGS的增加，ID逐漸增大。(2)轉(zhuǎn)移特性（輸入特性沒有意義）

由于飽和區(qū)內(nèi)，iD受vDS的影響很小，因此，不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。1.結(jié)構(gòu)及工作原理N溝道耗盡型MOSFET的二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子，即使在vGS=0時，由于正離子的作用，在P區(qū)表面層已感應(yīng)出大量的自由電子，形成反型層，構(gòu)成導(dǎo)電溝道，在vDS作用下，就會產(chǎn)生iD。vGS＞0溝道變寬，在vDS作用下，iD增大。vGS＜0溝道變窄，在vDS作用下，iD減小。vGS=VP(夾斷電壓，截止電壓）時，iD=0?？梢栽谡蜇摰臇旁措妷合鹿ぷ鳎緹o柵流。5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.特性曲線與特性方程P溝道增強型MOSFET的開啟電壓VT是負值，產(chǎn)生溝道的條件為vGS≤VT，漏源電壓為負，臨界線為vDS=vGS-VT。P溝道耗盡型MOSFET的夾斷電壓VP是正值，溝道夾斷的條件為vGS≥VP，漏源電壓為負，臨界線為vDS=vGS-VP。5.1.3P溝道MOSFETCMOS場效應(yīng)管CMOS場效應(yīng)管（P222）5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)在理想情況下，MOSFET工作于飽和區(qū)時，vDS對iD的影響可以忽略，輸出特性曲線與橫軸平行。而實際上vDS增加時，iD的會略有增加，這是因為vDS對溝道長度L的調(diào)制作用。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)二、交流參數(shù)三、極限參數(shù)飽和漏極電流IDSS

為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。2.夾斷電壓VP

為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。3.開啟電壓VT

為增強型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。4.直流輸入電阻RGS

輸入電阻很高。一般在107

以上。一、直流參數(shù)低頻互導(dǎo)gm

用以描述柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。3.極間電容

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。

二、交流參數(shù)2.輸出電阻rds

說明VDS對ID的影響。最大耗散功率PDM

由場效應(yīng)管允許的溫升決定。最大漏源電壓V(BR)DS

當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的vDS值。最大柵源電壓V(BR)GS

是指柵源間反向電流開始急劇上升時的vGS值。三、極限參數(shù)最大漏極電流IDM

場效應(yīng)管正常工作時漏極電流的上限值。

5.2MOSFET放大電路場效應(yīng)管是電壓控制器件，改變柵源電壓vGS的大小，就可以控制漏極電流iD，因此，場效應(yīng)管和BJT一樣能實現(xiàn)信號的控制

用場效應(yīng)管也可以組成放大電路。場效應(yīng)管放大電路也有三種組態(tài)，即共源極、共柵極和共漏極電路。由于場效應(yīng)管具有輸入阻抗高等特點，其電路的某些性能指標優(yōu)于三極管放大電路。最后我們可以通過比較來總結(jié)如何根據(jù)需要來選擇BJT還是FET分析場效應(yīng)管放大電路的方法是和分析BJT放大電路一樣的，可用圖解法及等效電路法。所不同的是器件特性不同，因此特性曲線不同、等效模型不同。如：集成運放的輸入級、低噪聲放大器1.場效應(yīng)管的偏置FET放大的一般關(guān)系為：計算靜態(tài)工作點方法有數(shù)學(xué)方法和圖解法(1)簡單的共源極放大電路2.直流偏置及Q點的計算直流通路(2)帶源極電阻的共源極放大電路(3)帶恒流源的共源極放大電路3.圖解分析法1)FET的小信號模型4.小信號模型分析法(a)NMOS設(shè)輸入信號很小，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)，柵極電流為零。(1)共源極電路2)放大電路的小信號模型分析法⑵共漏極電路⑶共柵極電路JFET放大電路的分析法S源極D漏極G柵極5.3結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)

結(jié)型場效應(yīng)管是利用改變VGS大小來控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層

在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。工作原理iD=0GDSN型溝道P+P+

(a)

vGS=0iD=0GDSP+P+

(c)

vGS=VPVGG⑴vGS對iD的控制作用iD=0GDSP+P+N型溝道

(b)

vGS<0VGG當(dāng)vGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬。隨著│vGS│增大，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。當(dāng)│vGS│=│VP│時，兩側(cè)耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷，溝道電阻趨于無窮大。⑵vDS對iD的影響

當(dāng)vDS=0時，iD=0；隨著vDS增大，溝道電場強度加大，iD增加，iD沿溝道產(chǎn)生電壓降，靠近漏極處，反偏壓最大，耗盡層最寬，導(dǎo)電溝道最窄。GDSNiDP+P+VDDGDSP+NiDP+P+VDDVGGvGS=0，vDG<，iD

較大。vGS<0，vDG<，iD較小。

當(dāng)vGD=vGS-vDS=VP時，導(dǎo)電溝道在A點被夾斷，隨著vDS增大，夾斷長度增加，夾斷區(qū)電場強度增大，仍能將電子拉過夾斷區(qū)，形成iD（基本不隨vDS增加而上升）。GDSP+NiDP+P+VDDVGGGDSiDP+VDDVGGP+P+1.轉(zhuǎn)移特性在VP≤VGS≤0范圍內(nèi)兩個重要參數(shù)夾斷電壓VP(ID=0時的VGS)飽和漏極電流IDSS(VGS=0時的ID)JFET的特性曲線及參數(shù)輸出電流同輸入控制量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)移曲線可以由肖克利方程或輸出曲線獲得VDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5VGS/VVDS=15V5ID/mAVDS/V0VGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5

結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達107

以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。

由輸出特性作轉(zhuǎn)移特性2.輸出特性Ⅰ區(qū)

:截止區(qū)vGS＜VP，iD=0Π區(qū)：可變電阻區(qū)Ⅲ區(qū)：飽和區(qū)（恒流區(qū)）N溝道3.主要參數(shù)夾斷電壓VP飽和漏電流IDSS最大漏源電壓V(BR)DS最大柵源電壓V(BR)GS直流輸入電阻RGS跨導(dǎo)gm

當(dāng)VP≤VGS≤0時，輸出電阻rds最大耗散功率PDM5.5.1各種FET的特性及使用注意事項5.5各種放大器件電路性能比較1.各種FET的特性比較2.使用注意事項(1)P襯底接低電位，N襯底接高電位?；?qū)⒁r底與源極連在一起。(2)FET通常制成漏極與源極可以互換，但有些產(chǎn)品出廠時已將源極與襯底連在一起，這時漏極與源極不能對調(diào)。(3)JFET的柵源電壓不能反接，但可以在開路狀態(tài)下保存。而MOSFET不使用時，須將各電極短路。(4)焊接時，電烙鐵必須有外接地線，以屏蔽交流電場，防止損壞管子。5.5.2各種放大器件電路性能比較場效應(yīng)管與晶體管的比較1、FET電壓控制器件，而BJT為電流控制器件。因為FET的壓控作用小(