場效應管及其放大電路.ppt

1、第8章 場效應管及其放大電路,本章介紹的場效應管是只有一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件，屬于電壓控制電流源器件，用VCCS表示。,場效應管的分類：,從參與導電的載流子來劃分：,N溝道器件,P溝道器件,從場效應管的結(jié)構(gòu)來劃分,絕緣柵型場效應管IGFET,結(jié)型場效應管JFET,8.1 絕緣柵型場效應管,按照導電溝道的形成機理不同，N溝道MOSFET P溝道MOSFET 又各有增強型和耗盡型兩大類。,8.1.1 N溝道增強型MOSFET,1.N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)示意圖:,結(jié)構(gòu)剖面圖:,符號:,2.N溝道增強型MOSFET的工作原理,場效應管的柵

2、源電壓vGS及漏源電壓vDS都會對管子的工作狀態(tài)有影響。,（1）vGS對導電溝道和漏極電流的控制作用,vGS0時，沒有導電溝 道：漏極電流iD0，,當vDS0且vGS0時，由于柵極和源極之間、柵極和漏極之間均被SiO2絕緣層隔開，所以柵極電流為零。,同時柵極與襯底之間產(chǎn)生了一個垂直于半導體表面、由柵極指向襯底的電場。,vGS vT時，形成導電溝道：,在這個電場的作用，柵極下方P型半導體中的多數(shù)載流子（空穴）被排斥，留下不能移動的負離子，從而形成耗盡層。,電場也將P型襯底中的少數(shù)載流子（電子）吸引到到柵極下的襯底表面，形成一個N型薄層，稱為反型層。,反型層把左右兩個N區(qū)連接起來，構(gòu)成了漏極與源極

3、之間的導電溝道。,使導電溝道剛剛形成的柵源電壓vGS稱為開啟電壓，用VT表示，有時也用VGS(th)表示。,在vGSVT時，N溝道MOS管不能形成導電溝道，管子處于截止狀態(tài)。,只有當vGSVT時，才有溝道形成。,必須在vGSVT時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型MOS管.,導電溝道形成以后，在漏源極間加上正電壓vDS，就產(chǎn)生漏極電流iD。,（2）vDS對導電溝道和漏極電流iD的影響,設vGS=VGSVT，且為定值。,若vDS0，此時盡管有導電溝道，漏極還是沒有電流，iD0:,由于源極和襯底相連，如果作用負的漏源電壓（vDS0），則漏區(qū)與襯底間的PN結(jié)將正向?qū)?，將導電溝道短路，這是不允許的

4、。,因此，漏源電壓必須大于零（vDS0）。,(a) vDS0時，iD0;,(b) vDS較小(vDS vGS-VT) 時，iD隨vDS變化;,在漏極和源極之間加正電壓（vDS0）時，溝道中就有電流iD流過。,由于溝道存在一定的電阻，因此，iD沿溝道形成的源極端小、漏極端大的電位分布，導致溝道內(nèi)的電場強度沿溝道從漏極端到源極端逐漸減小，溝道厚度亦從漏極端到源極端逐漸減小;,(c) vDS增大到vDS=vGS-VT時，預夾斷,當vDS足夠大時，使vGD=vGS-vDS略小于開啟電壓VT，,則靠近漏極的電場強度不能吸引足夠的電子形成的反型層，此處溝道剛好被夾斷，稱為預夾斷，,預夾斷對應的臨界漏源電壓

5、方程為 vGS-vDS =VT。,預夾斷前，溝道電阻基本不變，漏極電流iD隨vDS線性增加。,預夾斷以后，由于夾斷區(qū)電阻遠比未夾斷區(qū)電阻大，vDS增加的部分幾乎全部作用在夾斷區(qū)，未夾斷區(qū)則基本保持預夾斷時的電壓，形成的溝道電流基本不變。,預夾斷后漏極電流基本保持預夾斷前的電流，不再隨的vDS增加而變化，具有恒流特性。,(d) vDSvGS-VT時，iD飽和,若vDS繼續(xù)增加，預夾斷向源極方向延伸。,預夾后的漏極電流與柵源電壓有關(guān)，反映了MOS管的電壓控制電流的特性。,晶體管：（iC/iB）,場效應管用低頻跨導gm來描述動態(tài)情況下柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制作用：,gm越大，柵源電壓vGS

6、對漏極電流iD的控制作用越強。,gm是轉(zhuǎn)移特性曲線某一點的斜率。由于轉(zhuǎn)移特性曲線的非線性， iD越大， gm也越大。,結(jié)論： MOS管的導電溝道中只有一種類型的載流子參與導電，所以稱為單極型晶體管。,MOS管柵極是絕緣的，柵極輸入電流近似為零。,漏極電流iD受柵源電壓vGS的控制，即MOS管是電壓控制電流器件。,預夾斷前iD與vDS，近似呈線性關(guān)系；預夾斷后，iD趨于飽和。,3.N溝道增強型MOSFET的特性曲線及電流方程,特性曲線有2條：輸出特性 轉(zhuǎn)移特性,（1）輸出特性,在柵源電壓vGS為常量時，漏極電流iD與漏源電壓vDS的關(guān)系稱為輸出特性。,輸出特性可分為：截止區(qū) 可變電阻區(qū) 恒流區(qū)。

7、,預夾斷軌跡是可變電阻區(qū)和恒流區(qū)的分界線；,vGS=VT則是恒流區(qū)和截止區(qū)的分界線。,截止區(qū),靠近橫軸、iD近似為零的區(qū)域是截止區(qū)。,在截止區(qū)內(nèi)，vGSVT，導電溝道尚未形成，iD0，MOS管截止。,可變電阻區(qū),預夾斷軌跡左邊的區(qū)域即是可變電阻區(qū)。,當vDS(vGS-vT)時，導電溝道未被預夾斷。溝道電阻受柵源電壓vGS的控制，與漏源電壓vDS基本無關(guān)。?,漏極電流iD與漏源電壓vDS基本上成正比。,恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)）,預夾斷軌跡右邊的區(qū)域是恒流區(qū)。,當vDS(vGS-vT)時，導電溝道被預夾斷。,漏極電流iD基本不隨vDS的增加而變化，具有恒流特性。因此，稱該區(qū)域為恒流區(qū)。,iD受vGS的

8、控制，等效為電壓控制電流源。,放大電路中的場效應管應該工作在恒流區(qū)內(nèi)。,（2）轉(zhuǎn)移特性曲線,MOS管是柵源電壓控制漏極電流。,定義為漏源電壓vDS一定時，漏極電流iD與柵源電壓vGS的函數(shù)，即,輸出特性曲線上，做垂直于橫軸的一條垂直線（vDS=常數(shù)），直線與多條輸出特性曲線相交于a、b、c、d點，將上述各點對應的iD和vGS的數(shù)值描繪在iDvGS的直角坐標系中，連接各點所得到的曲線就是轉(zhuǎn)移特性曲線,當管子工作在恒流區(qū)時，iD基本上不受vDS的影響，因此，在恒流區(qū)內(nèi)不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合，可以用一條曲線代替恒流區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線。,N溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)時:,式中，IDO

9、是MOS管工作在恒流區(qū)且vGS2VT時對應的漏極電流。,8.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,1.N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和基本工作原理,結(jié)構(gòu)示意圖:,符號:,當vGS=0時:,正離子產(chǎn)生垂直于P型半導體的電場，其強度足以感應出一定厚度的反型層（N型），形成導電溝道。,工作原理:,作用漏源電壓vDS，就會有產(chǎn)生漏極電流iD。,當vGS0時：,將會在溝道中感應出更多的電子，使導電溝道變厚，溝道電阻變小，從而使漏極電流iD增大。,當vGS0時：,則會使導電溝道變薄，溝道電阻變大，從而使漏極電流iD減小。,當vGS的負電壓達到一定值時，反型層消失，不存在導電溝道，即使有漏源電壓vDS，也不會有

10、漏極電流iD。,對應于溝道完全消失的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓，用VP表示。,2.N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線及電流方程,2.N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線及電流方程,當N溝道耗盡型MOS管工作在恒流區(qū)時：,IDSS是N溝道耗盡型MOS管工作在恒流區(qū)且vGS0時的漏極電流。,例8.1 電路如圖(b)所示，場效應管T的輸出特性如圖（a）所示，試分析當vi分別為0V，6V，10V時，vo應為多少？,解：,（1）當vGS=vI=0V時，管子處于截止狀態(tài)，iD0。所以 vO= vDS =VDD- RiD =15V,例8.1 電路如圖(b)所示，場效應管T的輸出特性如圖（a）所示，試分析當vi

11、分別為0V，6V，10V時，vo應為多少？,iD=1mA,（2）當vGS=vI=6V時，由圖(a)可知，VT=4V,管子導通,假設管子工作在恒流區(qū)，則,vO=vDS=VDD-R iD=15-51=10V,因為vGS-VT=6-4=2V，,所以vDSvGS-VT，,假設成立，vO=10V。,管子工作在恒流區(qū)，,解：,例8.1 電路如圖(b)所示，場效應管T的輸出特性如圖（a）所示，試分析當vi分別為0V，6V，10V時，vo應為多少？,（3）當vGS=vI=10V時，假設管子工作在恒流區(qū)，,解：,則iD=2mA，,vO= vDS =VDD- RiD=15-52=5V,因為vGS-VT=10-4=

12、6V，所以vDSvGS-VT，管子工作在可變電阻區(qū)，,假設不成立。,由圖(a)可得，當vDS=10V時，,rDS=vDS/iD5/2=2.5k,8.1.3 P溝道MOSFET,P溝道MOSFET也有增強型和耗盡型兩種。,P溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖：,P溝道增強型,P溝道耗盡型,符號：,當負的柵源電壓足夠大時（vGSVT0）時，形成P型導電溝道，連接漏區(qū)和源區(qū)（P+）。,導通條件：vGSVT,在P溝道增強型MOSFET柵極下面的絕緣層中摻入足夠的負離子則形成P溝道耗盡型MOSFET。,導通條件：,8.1.4 MOSFET的主要參數(shù),1.直流參數(shù),1）開啟電壓VT,VT是增強型場MOS管的

13、重要參數(shù)。,當vDS為一固定值時，使漏極電流iD大于零所需要的最小柵源電壓值即為開啟電壓VT。,2）夾斷電壓VP,VP是耗盡型MOS管的重要參數(shù)。,當vDS為一固定值時，使漏極電流iD減小到某一個微小電流(例如10uA)時所需的vGS值。,3）飽和漏極電流IDSS,IDSS也是耗盡型MOS管的一個重要參數(shù)。,當柵源電壓vGS等于零，而漏源電壓vDS大于夾斷電壓VP時的漏極電流，稱為飽和漏極電流IDSS。,4）直流輸入電阻RGS(DC),在漏源之間短路的條件下，柵源之間的直流電阻值，它等于柵源電壓與柵極電流之比，MOS管的RGS(DC)約是1091015。,2.交流參數(shù),1）低頻跨導gm,低頻跨

14、導是指vDS為某一定值時，漏極電流的微變量iD和引起這個變化的柵源電壓的微變量vGS之比，即,gm反映了柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制能力，單位為西門子（S）或mS，gm一般為幾mS。,由于轉(zhuǎn)移特性曲線是非線性曲線，各點切線的斜率是不一樣的，iD越大，gm也愈大。,2）輸出電阻rds,輸出電阻rds說明了vDS對iD的影響，它是輸出特性上某一點切線斜率的倒數(shù)，rds一般約為幾十千歐到幾百千歐。,3）極間電容,通常柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd約為13pF，漏源電容約為0.11pF。在高頻電路中，應考慮極間電容的影響。,3.極限參數(shù),1）最大漏極電流IDM,IDM是管子正常工作時所允許的漏極

15、電流的上限值。,2）最大耗散功率PDM,vDS iDPDM,3）漏源擊穿電壓V(BR)DS,漏源間能承受的最大電壓，當vDS值超過V(BR)DS時，柵漏間發(fā)生擊穿，iD開始急劇增加。,4）柵源擊穿電壓V(BR)GS,柵源間所能承受的最大反向電壓，當vGS值超過V(BR)GS時，柵源間發(fā)生擊穿，反向電流iD由零開始急劇增加。,8.2 結(jié)型場效應管(JFET),8.2.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,1.JFET的結(jié)構(gòu),結(jié)型場效應管也有：N溝道 P溝道,N溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖：,N溝道JFET的符號：,N溝道JFET的結(jié)構(gòu)圖：,在一塊N型半導體材料的兩邊各擴散一個高雜質(zhì)濃度的P+區(qū)，形成兩個PN

16、結(jié)；,把兩個P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個電極g，稱為柵極，在N型半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極s和漏極d。,2.JFET的工作原理,工作原理是：通過改變PN結(jié)耗盡層寬度調(diào)整導電溝道的厚薄，從而實現(xiàn)對導電溝道電流的控制。,當PN結(jié)反向偏置時，其耗盡層寬度改變明顯。所以，JFET的PN結(jié)必須反向偏置，才能有效地調(diào)整導電溝道的厚薄。,與MOS管一樣，討論JFET的工作原理同樣是討論vGS對iD的控制作用和vDS對iD的影響。,N溝道JFET的工作原理：,（1）vGS對導電溝道和漏極電流的控制作用,a）當vGS =vDS0時，PN結(jié)耗盡層窄，導電溝道寬，漏源間的電阻最小。,vGS=0V,當PN

17、結(jié)正向偏置時，其耗盡層寬度改變甚小。,N溝道JFET的工作原理：,（1）vGS對導電溝道和漏極電流的控制作用,b)當vDS0和vGS0時，,柵源之間的PN結(jié)反向偏置，兩個PN結(jié)的耗盡層加寬，使得中間的N型導電溝道變窄，漏源間的電阻增大。,b) VP vGS 0V,a)vGS=0V,比較溝道寬度,c)當PN結(jié)的反向電壓足夠大時，,兩個PN結(jié)的耗盡層合攏，導電溝道消失，漏源間的電阻最大。,對應于導電溝道剛剛消失的柵源電壓稱為夾斷電壓，用VP表示。,c) vGS VP, 導電溝道消失,如果在漏源之間作用正電壓vDS，則在vGS由0至VP的變化過程中，導電溝道電阻逐漸增大，漏極電流iD逐漸減小。實現(xiàn)了

18、柵源電壓對漏極電流的控制。,（2）vDS對導電溝道和漏極電流iD的影響,N溝道JFET的工作原理：,設VPvGS0，且vGS為定值。,a) vDS vGSVP,當作用正的漏源電壓vDS時，使PN結(jié)的反向電壓增大，另一方面在導電溝道中產(chǎn)生電流，即漏極電流iD。,PN結(jié)的寬度不同，即漏極端寬、源極端窄,iD在導電溝道中形成漏極端大、源極端小的電位分布，致使PN結(jié)的反向電壓不等，即漏極端大、源極端小。,a) vDS vGSVP,b) vDS =vGSVP,b) vDS =vGSVP,當vDS增大到使PN結(jié)漏極端的反向電壓等于夾斷電壓，即vDS-vGS=|VP|時，,漏極端的2個PN結(jié)合攏，導電溝道發(fā)

19、生預夾斷;,再增加vDS，則預夾斷向源極方向延伸，如圖c）所示。,c) vDS vGSVP,c) vDS vGSVP,預夾斷前，溝道電阻基本不變，漏極電流iD隨vDS線性增加。,預夾斷以后，由于預夾斷區(qū)無載流子，夾斷區(qū)電阻比未夾斷區(qū)電阻大，vDS增加的部分幾乎全部作用在夾斷區(qū)，未夾斷區(qū)則基本保持預夾斷時的電壓，形成的溝道電流基本不變。,預夾斷后漏極電流基本保持預夾斷前的電流，不再隨的vDS增加而變化，具有恒流特性。,JFET的導電溝道中只有一種類型的載流子參與導電。 與MOS管一樣，也是單極型晶體管。,iD受vGS控制，JFET是電壓控制電流器件。,預夾斷前iD與vDS，近似呈線性關(guān)系； 預夾

20、斷后，iD趨于飽和。,P溝道結(jié)型場效應的工作原理與N溝道JFET的工作原理相似，不再贅述。,綜述,N溝道JFET的特性曲線：,8.2.2 JFET的特性曲線,(a) 輸出特性：,(b)轉(zhuǎn)移特性：,三個工作區(qū)域： 可變電阻區(qū) 恒流區(qū) 截止區(qū)。,工作在飽和區(qū)時，漏極電流方程是,（VP vGS-VP）,上式實際上也是工作在飽和區(qū)時轉(zhuǎn)移特性曲線的近似函數(shù)。,各類場效應管的符號及特性曲線表：,P溝道,8.3 場效應管放大電路,場效應管具有輸入電阻高的特點，它適用于作為多級放大電路的輸入級，尤其對高內(nèi)阻的信號源，采用場放管才能有效地進行放大。,8.3.1 場效應管放大電路的3種組態(tài),8.3.2 直流偏置電

21、路和靜態(tài)分析,場效應管靜態(tài)偏置電路必須建立合適的柵源電壓VGS，并產(chǎn)生適當?shù)穆O電流。,1.固定偏壓式共源放大電路,VGG為MOS管提供大于開啟電壓VT的直流偏置電壓，,VDD和偏置電阻Rd提供漏極直流電流通路。,靜態(tài)分析方法：圖解法和計算法。,(1) 圖解法求靜態(tài)工作點,令vi=0，,電容C在直流通路中相當于開路。,vGS=VGG ,vDS=VDDiDRd ,在輸出特性上做出方程的直線;,與vGSVGG的輸出特性曲線的交點Q即為靜態(tài)工作點;,讀出其對應的坐標，即是MOS管的漏源直流電壓VDS和漏極直流電流ID。,(2) 計算法求靜態(tài)工作點,當N溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)時，iD的近似表達

22、式為:,得方程組：,解得靜態(tài)工作點Q（VGS，VDS，ID）。,由于柵極的直流偏置電壓是一個固定值（vGSVGG），所以稱為固定偏壓式電路。,2.自給偏壓式共源放大電路,令vi=0，電容在直流通路中相當于開路。,由于vGS-RsiD，即柵源偏置電壓是由MOS管的漏極電流自己形成的，故稱為自給偏壓電路。,顯然，用N溝道耗盡型MOS管也可組成自給偏壓電路。,用增強型MOS管卻不行，因為在柵源電壓為零時，增強型MOS沒有導電溝道，即無漏極電流，不能形成自偏壓。,例 8.2 共源放大電路如圖所示。圖中，Rg =1M，Rs=2k，Rd=12k ，VDD=20V，IDSS=4 mA，VP =4V，求ID和

23、VDS。,解:,方程組中，電壓的單位是V，電流的單位是mA ,電阻的單位是k。,將第一個方程代入第3個方程，得,解得：,ID1=4mAvGS1=-2ID1=-8VVP=-4V,T為N溝道JFET,(舍去),3.分壓式偏置共源放大電路,直流通路:,分壓式偏置電路可以適合于任何N溝道場效應管（增強型和耗盡型MOS管、JFET）,例 8.3 N溝道耗盡型MOS管共源放大電路如圖所示，VP= 0.8V，IDSS=0.18mA；VDD=24V，Rg1 =64k，Rg2 =200k，Rg =1M，Rs1=10k，Rs2=2k，Rd=10k ，求靜態(tài)工作點Q。,解：,上述方程中，電壓的單位是V，電流的單位是

24、mA ,電阻的單位是k。,解得ID1 = 0.69 mA，VGS = 2.5V (小于VP，舍去)。,ID2= 0.45 mA，VGS = 0.4V ，大于夾斷電壓VP，是正確解。則,8.3.3 小信號模型和動態(tài)分析,與晶體管放大電路一樣，可以采用圖解法和小信號線性模型求解場效應管放大電路的交流分量。,1.場效應管的低頻小信號等效模型,與分析三極管的H參數(shù)小信號模型一樣，將場效應管也看成一個雙端口網(wǎng)絡，柵極與源極之間視為輸入端口，漏極與源極之間視為輸出端口。,以N溝道增強型MOS管為例:,iG=0 iD=f(vGS，vDS),為了求MOS管在靜態(tài)工作點Q附近的交流量，對方程作兩邊求全微分，得

25、:,令,用交流信號ig、vgs、id、vds分別表示iG、vGS、iD、vDS的變化量diG、dvGS、diD、dvDS, 則,小信號模型:,在低頻小信號模型中，輸入回路相開路，輸出回路是一個理想電壓控制電流源gmvgs與一個電阻rds的并聯(lián)。,化簡,小信號模型,簡化小信號模型,通常rds約為幾十千歐幾百千歐。在實際電路中，如果rds對電流源gmvgs的分流作用很小，則可省去該電阻.,由N溝道增強型MOS管轉(zhuǎn)移特性方程，得,在靜態(tài)工作點附近，iDID，即靜態(tài)漏極電流。所以,同理，可求得耗盡型MOSFET的gm:,2.場效應管的高頻小信號等效模型,同晶體管一樣，場效應管的各個電極之間也存在極間電

26、容。,在場效應管的低頻小信號模型的基礎上增加極間電容，則可畫出場效應管的高頻小信號模型:,N溝道增強型MOS管,高頻小信號模型,Cgs、Cgd和Cds分別是柵源之間的電容、柵漏之間的電容和漏源之間的電容，Cgb為柵極襯底之間的電容。,通常可以認為柵源電阻rgs及柵漏電阻rds相當于開路。,3.應用小信號模型分析場效應管放大電路,(1) 自給偏壓式共源放大電路的動態(tài)分析,中頻小信號等效電路:,電壓增益:,式中，,共源放大電路的輸出電壓與輸入電壓反相;,放大能力（增益的絕對值）與跨導和漏極等效交流負載成正比。,輸入電阻:,輸出電阻:,計算輸出電阻的等效電路:,例8.4 N溝道耗盡型MOS管共源放大

27、電路如圖所示。已知VDD=20V，Rg=1M，Rs=2k，Rd=12k，RL=6k，IDSS=4mA，VP=-4V，求電壓增益、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。,解：靜態(tài)分析,在例8.1中已經(jīng)解出靜態(tài)工作點：ID=1mA，VGS=-2V，VDS=6V。,動態(tài)分析,小信號等效電路:,(2) 分壓式共源放大電路的動態(tài)分析,放大電路如圖:,小信號等效電路:,電壓增益:,式中，,輸入電阻:,計算輸出電阻的等效電路:,輸出電阻:,例8.5 N溝道耗盡型MOS管組成的共源放大電路如圖8.3.6所示。VP= 0.8V，IDSS=0.18mA；VDD=24V，Rg1 =64k，Rg2 =200k，Rg =1M，Rs1=10k，Rs2=2k，Rd=10k ，RL=10k，求電壓增益、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。,解：靜態(tài)分析,在例8.3中已經(jīng)解出靜態(tài)工作點：ID= 0.45 mA，VGS = 0.4V，VDS=14.1V。,動態(tài)分析,小信號等效電路,電壓增益:,輸入電阻:,輸出電阻:,8.4 BJT與FET的組合放大電路,8.4.1 BJT基本放大電路和FET基本放大電路的比較,場效應管放大電路