第五章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

第五章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.3金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管5.4金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管(FieldEffectTransistor)

：只有一種載流子參與導(dǎo)電，故稱單極型三極管。利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管，是電壓控制電流型器件。特點(diǎn)輸入電阻高，功耗低熱穩(wěn)定性好，噪聲低，抗輻射能力強(qiáng)制造工藝簡(jiǎn)單、易于集成第五章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路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）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管分類：DSGN符號(hào)5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor)5.1.1JFET結(jié)構(gòu)及符號(hào)N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))

在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。N溝道場(chǎng)效應(yīng)管P溝道場(chǎng)效應(yīng)管

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS5.1.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變vGS

大小來控制漏極電流ID的。(VCCS)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(huì)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。*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。1.vGS

對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(vDS=0)ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

vGS=0vGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬vGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)vGS=VP，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷.VP為夾斷電壓ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

Vp<vGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

vGS

＜VPVGG2.vDS

漏極電流iD的影響(1)vGS

＝0當(dāng)vDS=0時(shí)，iD=0ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

Vp<vGS<0VGG2.vDS

漏極電流iD的影響GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

vDS

iD

，同時(shí)G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。vGD

＝vGS

－vDS

(1)–vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)

改變vGS

，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了iD

，故稱場(chǎng)效應(yīng)管；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)當(dāng)vDS增加到使-vGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS

夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻iD基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。2.vDS

漏極電流iD的影響(VP<vGS<0)GDSNiSiDP+P+VDD當(dāng)vDS=0時(shí)，iD=0vGD

＝vGS

－vDS

2.vDS

漏極電流iD的影響GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

vDS

iD

，同時(shí)G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。vGD

＝vGS

－vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)

改變uGS

，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了iD

，故稱場(chǎng)效應(yīng)管；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)當(dāng)vDS增加到使vGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS

夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻iD基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。此時(shí)飽和電流iD小于vGS=0時(shí)的飽和電流Idss.GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)

改變vGS

，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了iD

，故稱場(chǎng)效應(yīng)管；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。2.vDS

漏極電流iD的影響(vGS≤VP)溝道夾斷

iD=0小結(jié)(1)當(dāng)vDS使vGD

＝vGS

－vDS

>Vp情況下,d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當(dāng)vDS使vGD

＝Vp時(shí)，d-s之間預(yù)夾斷(3)當(dāng)vDS使vGD<Vp時(shí)，iD幾乎僅僅決定于vGS

，而與vDS

無關(guān)。此時(shí)，可以把iD近似看成vGS控制的電流源。二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲線測(cè)試電路+mA

1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)vGS/ViD/mAIDSSVP轉(zhuǎn)移特性

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤vGS=0，iD

最大；vGS

愈負(fù)，iD

愈??；vGS=VP，iD

0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(VGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓VP(iD=0時(shí)的VGS)IDSS/ViD/mAvDS

/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)輸出特性夾斷區(qū)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲線測(cè)試電路+mA擊穿區(qū)2.輸出特性曲線

當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流iD

與漏源之間電壓uDS

的關(guān)系，即(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線＊結(jié)型P溝道的特性曲線SGD轉(zhuǎn)移特性曲線iDUGS（Off）IDSSOuGS輸出特性曲線iDUGS=0V+uDS++o柵源加正偏電壓，(PN結(jié)反偏)漏源加反偏電壓。1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UP或UGS(off)3.開啟電壓UT

或UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓uGS

對(duì)漏極電流iD

的控制作用。單位：iD

毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西門子(mS)

這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括Cgs、Cgd、Cds。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。三、極限參數(shù)3.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS4.柵源擊穿電壓U(BR)GS

由場(chǎng)效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。

場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS

，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。1.最大漏極電流IDM5.3絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

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(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109～1015。VGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；VGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。5.3.1N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極GN溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖SGDB箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)(1)工作原理

絕緣柵場(chǎng)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。(2)工作原理分析1)vGS=0

漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，在D、S間也不可能形成電流。SBD

2)

vDS=0，0<vGS<VT

柵極金屬層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道，F(xiàn)ET仍不具備導(dǎo)通條件，處于截止?fàn)顟B(tài)。

3)

vDS=0，vGS≥VT

由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——反型層、N型導(dǎo)電溝道。

vGS

升高，N溝道變寬。因?yàn)関DS=0，所以iD=0。VT為開始形成反型層所需的VGS，稱開啟電壓。4)

vDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(vGS

>VT)

導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流iD

。b.UDS=UGS–VT，

UGD=VT

靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。

由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，vDS

逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，iD因而基本不變。a.UDS<UGS–VT，即UGD=UGS–UDS>VTc.UDS>UGS–VT，

UGD<VTA

vDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>VT(b)

UGD=VT(c)

UGD<VT在vDS

>vGS–VT時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的vGS就有一個(gè)確定的iD

。此時(shí)，可以把iD近似看成是vGS控制的電流源。(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性vGS<VT

，iD=0；UGS≥VT

，形成導(dǎo)電溝道，隨著vGS

的增加，iD

逐漸增大。(當(dāng)vGS

>VT時(shí))

三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。UT2UTIDOvGS/ViD/mAOiD/mAvDS

/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)夾斷區(qū)。VGS增加(3)特性曲線5.3.2N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++

制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使vGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

vGS≥0，vDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

vGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，iD

減小；

vGS=

VP,感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。VP為夾斷電壓耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOS管特性工作條件：vDS>0；vGS

正、負(fù)、零均可。iD/mAvGS

/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS符號(hào)SGDB(b)輸出特性iD/mAvDS

/VO+1VvGS=0-3V-1V-2V432151015205.3.4P溝道MOSFET1.P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓VT<0當(dāng)UGS<VT

，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓管子才導(dǎo)通,空穴導(dǎo)電。2.P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VT＞0VT

可在正、負(fù)值的一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強(qiáng)型SGDSGDiDvGS=0V+vDS++oSGDBvGSiDOVT各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+vGS

=VTvDSiD+++OiDvGS=0V---vDSOvGSiDVPIDSSOvGSiD/mAVPIDSSO種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBvDSiD_vGS=0+__OiDvGSVPIDSSOSGDBIDSGDBIDiDvGSVTOiDvGSVPIDSSO_iDvGS=VTvDS_o_vGS=0V+_iDvDSo+HomeNext

例5.3.1

已知各場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖所示。試分析各管子的類型。解:(a)iD>0（或vDS>0），則該管為N溝道；vGS0，故為JFET（耗盡型）。

(b)iD<0（或vDS<0），則該管為P溝道；vGS<0，故為增強(qiáng)型MOS管。

(c)iD>0（或vDS>0），則該管為N溝道；vGS可正、可負(fù)，故為耗盡型MOS管。提示：場(chǎng)效應(yīng)管工作于恒流區(qū)：（1）N溝道增強(qiáng)型MOS管：VDS>0,VGS>VGS(th)>0；P溝道反之。（2）

N溝道耗盡型MOS管：VDS>0,VGS可正、可負(fù)，也可為0；P溝道反之。

（3）N溝道JFET：VDS>0,VGS<0；P溝道反之。

例5.3.2

電路如圖

(a)所示，場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性如圖

(b)所示。試分析當(dāng)uI=2V、8V、12V三種情況下，場(chǎng)效應(yīng)管分別工作于什么區(qū)域。

(c)當(dāng)uI=10V

時(shí)，假設(shè)管子工作于恒流區(qū)，此時(shí)iD=2mA，故uO

=uDS

=VDD-iD

Rd=18-28=2V，

uDS

-VGS(th)=2-6=-4V，顯然小于uGS

=10V時(shí)的預(yù)夾斷電壓，故假設(shè)不成立，管子工作于可變電阻區(qū)。此時(shí)，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故解:(a)當(dāng)uI=2V

時(shí)，uI=uGS<VGS(th)

，場(chǎng)效應(yīng)管工作于夾斷區(qū)，iD=0，故uO=VDD-iD

Rd=VDD=18V。

(b)當(dāng)uI=8V

時(shí)，假設(shè)管子工作于恒流區(qū)，此時(shí)iD=1mA，故uO

=uDS

=VDD-iD

Rd=18-18=10V，

uDS

-VGS(th)=10-4=6V，大于uDS

=10V時(shí)的預(yù)夾斷電壓，故假設(shè)成立。例5.3.1

已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場(chǎng)效應(yīng)管（結(jié)型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強(qiáng)型、耗盡型）。分析：N溝道增強(qiáng)型MOS管，開啟電壓VT

＝4V例1.4.2電路如左圖所示，其中管子T的輸出特性曲線如右圖所示。試分析ui為0V、8V和10V三種情況下uo分別為多少伏？分析：N溝道增強(qiáng)型MOS管，開啟電壓UGS(th)

＝4V解：(1)ui為0V，即uGS＝ui＝0，管子處于夾斷狀態(tài)

所以u(píng)0＝VDD

＝15V(2)uGS＝ui＝8V時(shí)，從輸出特性曲線可知，管子工作在恒流區(qū)，iD＝1mA，

u0＝uDS

＝VDD-iD

RD

＝10V(3)uGS＝ui＝10V時(shí)，若工作在恒流區(qū)，iD＝2.2mA。因而u0＝15-2.2*5

＝4V但是，uGS

＝10V時(shí)的預(yù)夾斷電壓為uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可見，此時(shí)管子工作在可變電阻區(qū)從輸出特性曲線可得uGS

＝10V時(shí)d-s之間的等效電阻(D在可變電阻區(qū)，任選一點(diǎn)，如圖)所以輸出電壓為

(4)由于場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱,有時(shí)漏極和源極可以互換使用,而