模電課件 4場效應(yīng)管

第4章場效應(yīng)管放大電路本章主要內(nèi)容：本章介紹場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及場效應(yīng)管放大電路的構(gòu)成、場效應(yīng)管三種組態(tài)放大電路的基本方法和特性。4.1單極型晶體管概述4.2結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）4.3絕緣柵場效應(yīng)管（JFET）4.4N溝道耗盡型MOS管4.5各種場效應(yīng)管特性比較及其注意事項(xiàng)4.6場效應(yīng)管放大器及其靜態(tài)分析4.7場效應(yīng)管的微變等效電路分析法4.1單極型晶體管概述三極管(BJT)電流控制器件（基極電流）輸入阻抗不高雙極型器件（兩種載流子：多子少子均參與導(dǎo)電）噪聲高場效應(yīng)管(FieldEffectTransistor)電壓控制器件（柵、源極間電壓）輸入阻抗極高單極型器件（一種載流子：多子參與導(dǎo)電）噪聲小缺點(diǎn)是速度慢（∵有寄生電容效應(yīng)）場效應(yīng)管（和三極管相比）：優(yōu)點(diǎn)多、應(yīng)用廣泛4.2結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）FET分類結(jié)型場效應(yīng)管JFET（按導(dǎo)電溝道類型）P溝道N溝道絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET耗盡型(按導(dǎo)電溝道形成機(jī)理)增強(qiáng)型P溝道N溝道P溝道N溝道按基本結(jié)構(gòu)

在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū)，就形成兩個(gè)不對(duì)稱的PN結(jié)，即耗盡層。把兩個(gè)P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個(gè)電極g，稱為柵極（gate），在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為源極s（source）和漏極d（drain）。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管dP+P+Ngs耗盡層三個(gè)區(qū)域：一個(gè)N區(qū)，兩個(gè)P+區(qū)三個(gè)電極：源極s，漏極d，柵極g一個(gè)導(dǎo)電溝道：N型電路符號(hào)dgs箭頭方向：柵結(jié)正偏時(shí)柵極電流的方向（P溝道？）JFET結(jié)構(gòu)（P溝道）P溝道結(jié)型場效應(yīng)管dN+N+Pgs耗盡層三個(gè)區(qū)域：一個(gè)P區(qū)，兩個(gè)N+區(qū)三個(gè)電極：源極s，漏極d，柵極g一個(gè)導(dǎo)電溝道：P型電路符號(hào)箭頭方向：dgs工作原理（1、2）dP+P+Ngs外部工作條件

vGS為負(fù)值

vDS為正值

vGS對(duì)iD的控制作用為便于討論，先假設(shè)漏－源極間所加的電壓vDS=0(a)當(dāng)vGS=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小。(b)當(dāng)vGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，溝道變窄，其電阻增大。(c)當(dāng)vGS進(jìn)一步減小到一定程度（vGS≤VP），溝道消失，失去導(dǎo)電能力。全夾斷工作原理（3）

vDS對(duì)iD的影響（假設(shè)vGS值固定，且VP<vGS<0）dP+P+NgsVGGVDD(a)當(dāng)漏源電壓vDS從零開始增大時(shí)，溝道中有電流iD流過。(b)在vDS較小時(shí)，iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加。(c)隨著vDS的進(jìn)一步增加，出現(xiàn)楔形溝道(d)當(dāng)vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS-vDS=VP(夾斷電壓)時(shí)，預(yù)夾斷(e)繼續(xù)增加，飽和，繼而發(fā)生擊穿書上圖4.2.4VDD極性接反綜上分析，可得出以下結(jié)論：1、JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此柵極電流為零。2、JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS的控制3、預(yù)夾斷前，iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加，預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。#JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？VP1.輸出特性飽和區(qū)線性放大區(qū)VGS<Vp截止區(qū)場效應(yīng)管的輸入電流iG≈0，輸入特性無意義，故用輸出特性和轉(zhuǎn)移特性描述伏安特性（本質(zhì)為同一個(gè)物理過程）。JFET特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性3.電流方程在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個(gè)區(qū)？（b）（c）（a）例題GDS解（a）因?yàn)関GS<VP管子工作在截止區(qū)。（b）因管子工作在放大區(qū)。

（c）因管子工作在可變電阻區(qū)。

(1)夾斷電壓VP：(2)飽和漏極電流IDSS

（也稱為零偏漏極電流）(3)

跨導(dǎo)gm

也稱為互導(dǎo)。其定義為：當(dāng)管子工作在放大區(qū)時(shí)，由于求解管子的跨導(dǎo)JFET主要參數(shù)(5)直流輸入電阻RGS：(4)輸出電阻rd：

(6)最大漏源電壓V(BR)DSJFET發(fā)生擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的漏源電壓(7)最大柵源電壓V(BR)GS當(dāng)柵源電壓增大，柵極與溝道的PN結(jié)反向擊穿，柵極電流急劇上升時(shí)的柵源電壓JFET主要參數(shù)JFET的極限參數(shù)，當(dāng)漏極功耗超過最大漏極功耗PDM時(shí)，管子發(fā)熱，溫度過高導(dǎo)致器件損壞。(8)最大漏極功耗PDMJFET主要參數(shù)作業(yè)：4.2.14.3絕緣柵場效應(yīng)管一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET(E型NMOS)二、N溝道耗盡型MOSFET(D型NMOS)結(jié)構(gòu)與符號(hào)工作原理結(jié)構(gòu)與符號(hào)工作原理

特性曲線三、主要參數(shù)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET結(jié)構(gòu)與符號(hào)（N溝道增強(qiáng)型）PN+sgdN+半導(dǎo)體Semiconductor氧化物Oxide(SiO2)金屬M(fèi)etal(Al)gsdBNP+sgdP+符號(hào)gsdBMOSFET結(jié)構(gòu)與符號(hào)（P溝道增強(qiáng)）PN+SGDN+MOSFET工作原理1–++–與JFET相似，MOSFET的工作原理同樣表現(xiàn)在：柵壓vGS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的控制，漏源電壓vDS對(duì)漏極電流的影響。PN+SGDN+–++–(1)vGS對(duì)溝道的控制作用

當(dāng)vGS=0時(shí)，漏源極間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源極間如何施加電壓，總有一個(gè)PN結(jié)處于零偏或反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道，尤其當(dāng)vDS大于零時(shí)，電阻值高達(dá)1012Ω數(shù)量級(jí)，將不會(huì)有漏電流出現(xiàn)，iD≈0。MOSFET工作原理2PN+SGDN+–++–(1)vGS對(duì)溝道的控制作用,vDS=0外加vGS>0時(shí)，SiO2絕緣層上產(chǎn)生電場。方向垂直于半導(dǎo)體表面，由柵極指向襯底。該電場排斥空穴、吸引電子。在vGS較小的情況下形成耗盡層。電場排斥空穴形成耗盡層MOSFET工作原理3PN+SGDN+–++–(1)vGS對(duì)溝道的控制作用,vDS=0vGS繼續(xù)增大將P襯底的電子吸引到表面，形成一個(gè)N型薄層，反型層，形成導(dǎo)電溝道出現(xiàn)反型層且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏源極間形成N型導(dǎo)電溝道。開啟電壓，VTMOSFET工作原理4(1)vGS對(duì)溝道的控制作用,vDS=0vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。PN+SGDN+–++–導(dǎo)電溝道增厚溝道電阻減小MOSFET工作原理5(2)vDS對(duì)iD的影響當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏-源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。PN+SGDN+–++–當(dāng)在漏源之間施加正向電壓vDS>0，且vDS較小時(shí)，將產(chǎn)生漏極電流iD。iDiDMOSFET工作原理6(2)vDS對(duì)iD的影響，PN+SGDN+–++–漏極電流iD沿溝道形成的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大、溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而溝道最薄。iDiDvGS>VT為定值沿溝道有電位梯度vDSMOSFET工作原理7(2)vDS對(duì)iD的影響，PN+SGDN+–++–漏極電流iD沿溝道形成的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大、溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而溝道最薄。iDiDvGS>VT為定值沿溝道有電位梯度vDSMOSFET工作原理7MOSFET特性曲線1MOS管的伏安特性用輸出特性和轉(zhuǎn)移特性描述輸出特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性描述當(dāng)柵源電壓|vGS|=C為常量時(shí)，漏電流iD與漏源電壓vDS之間的關(guān)系。輸出特性曲線也分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。++––輸出特性：10202406可變電阻區(qū)放大（飽和）區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)MOSFET特性曲線2(1)

可變電阻區(qū)a.vDS較小，溝道尚未夾斷b.vDS＜vGS-|VT|c.管子相當(dāng)于受vGS控制的壓控電阻輸出特性24061020可變電阻區(qū)MOSFET特性曲線(2)

放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū))a.

溝道預(yù)夾斷c.iD幾乎與vDS無關(guān)d.

iD只受vGS的控制b.vDS>vGS-|VT|24061020放大區(qū)輸出特性MOSFET特性曲線a.

vGS＜VT

(3)

截止區(qū)b.溝道完全夾斷c.

iD=0240610201．輸出特性截止區(qū)MOSFET的特性曲線024061020轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線MOSFET的特性曲線4.4N溝道耗盡型MOSFET1).

耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導(dǎo)電溝道）反型層P耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，通過施加負(fù)的柵源電壓（夾斷電壓）使溝道消失，耗盡型NMOS截止；增強(qiáng)型MOS管在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。耗盡型MOS管

1).

耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導(dǎo)電溝道）反型層PN溝道耗盡型MOS管表示符號(hào)P溝道耗盡型MOS管表示符號(hào)GSDGSDN溝道耗盡型MOSFET——結(jié)構(gòu)符號(hào)

耗盡型MOS管

2).

耗盡型MOS管原理sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導(dǎo)電溝道）反型層P造成的原因是：制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的正離子(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子)，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，漏源極間的P型襯底表面已感應(yīng)生成N溝道。只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。N溝道耗盡型MOSFET——工作原理N溝道耗盡型MOS管當(dāng)vGS為負(fù)時(shí)，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止；使溝道消失時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。2).

耗盡型MOS管原理sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導(dǎo)電溝道）反型層PN溝道耗盡型MOSFET——工作原理當(dāng)vGS為負(fù)時(shí)，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止；使溝道消失時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。耗盡型MOSFET在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，而且仍能保持柵源極間有很大的絕緣電阻，使柵極電流為零。N溝道耗盡型MOSFET——工作原理、特點(diǎn)N溝道耗盡型MOSFET——特性在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場效應(yīng)管的電流方程相同，即3).

耗盡型MOS管電流方程N(yùn)溝道耗盡型MOSFET——特性漏極飽和電流4.6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

4.6.1

FET的直流偏置及靜態(tài)分析

4.6.2

FET放大電路的小信號(hào)模型分析法

MOSFET放大電路根據(jù)場效應(yīng)管在放大電路中的連接方式，場效應(yīng)管放大電路分為三種組態(tài)：共源極電路、共柵極電路和共漏極電路共源極電路：柵極是輸入端，漏極是輸出端，源極是輸入輸出的公共電極。共柵極電路：源極是輸入端，漏極是輸出端，柵極是輸入輸出的公共電極。共漏極電路：柵極是輸入端，源極是輸出端，漏極是輸入輸出的公共電極。自偏壓電路一.直流偏置電路固定偏壓電路分壓器式自偏壓電路1、自偏壓電路+_+__+_+自偏壓原理：5.4.1FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析不適合增強(qiáng)型二.分壓式自偏壓電路調(diào)整電阻的大小可使UGSQ>0或UGSQ=0或UGSQ<0三.靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)：VGS、ID、VDSvGS

=VDS=已知VP、IDSS，據(jù)電路VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS為柵偏壓提供通路；瀉放柵極積累電荷提供負(fù)柵偏壓把iD

的變化

uDS