場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路 (3)課件

第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路3.1結(jié)形場(chǎng)效應(yīng)管3.2砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管3.3-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管3.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路3.5各種放大器件電路性能比較

3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET）分類和結(jié)構(gòu)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管IGFETNPPN結(jié)耗盡層PN溝道G門極D漏極S源極P襯底NN源極門極漏極SGDJFET結(jié)構(gòu)IGFET結(jié)構(gòu)N溝道3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET1)P溝道和N溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)N溝道G門極D漏極S源極gdsN溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)P溝道G門極D漏極S源極gdsP溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)2）恒流工作（電壓控制電流源）GID+RDVDDDSPN結(jié)加反向電壓（Ugs)使溝道微閉合時(shí)電流ID與UDS無關(guān)，稱恒流區(qū)。ID=IDSS（1-）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN結(jié)PN結(jié)++-耗盡層閉合時(shí)UGS=VPRDVDDUGS電路圖等效圖3）截止工作PNNGID=0IS=IDPN結(jié)PN結(jié)++-RDVDDUGS耗盡層完全閉合，溝道夾斷，電子過不去柵極電壓UGS大于等夾斷電壓UP時(shí)，ID=0相當(dāng)一個(gè)很大的電阻3)、JFET的主要參數(shù)1）夾斷電壓VP:手冊(cè)給出是ID為一微小值時(shí)的VGS2）飽和漏極電流IDSS;VGS=0，時(shí)的IDudsidvgs=常數(shù)vgsidUds=常數(shù)?uGS?id5)極限參數(shù)：V（BR）DS、漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。V（BR）GS、柵源間的最高反向擊穿。

PDM最大漏極允許功耗，與三極管類似。3)、電壓控制電流系數(shù)gm=4）交流輸出電阻rds=Sect3.3MOSFET增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFETN溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)3.3.1增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱之為MOS管Sect當(dāng)UGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。當(dāng)UGS=UT時(shí),在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在UDS的作用下形成ID。UDSID++--++--++++----UGS反型層當(dāng)UGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論UDS之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流ID,即ID≈0.當(dāng)UGS>UT時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同UDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在UGSUT時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管SectN溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線UGS一定時(shí)，ID與UDS的變化曲線，是一族曲線

ID=f(UDS)UGS=C輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)：

ID與UDS的關(guān)系近線性

ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)當(dāng)UGS變化時(shí)，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)當(dāng)UGS一定時(shí)，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)SectN溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲線2.恒流區(qū)：該區(qū)內(nèi)，UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變3.擊穿區(qū)：

UDS

增加到某一值時(shí)，ID開始劇增而出現(xiàn)擊穿。當(dāng)UDS

增加到某一臨界值時(shí)，ID開始劇增時(shí)UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect

漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS當(dāng)UDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)UGD＞UT，此時(shí)UDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在UDS作用下形成IDSect

MOS管襯底的處理

保證兩個(gè)PN結(jié)反偏，源極—溝道—漏極之間處于絕緣態(tài)NMOS管—UBS加一負(fù)壓PMOS管—UBS加一正壓處理原則：處理方法：SectN溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)3.3.2耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管+++++++耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道SectN溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理當(dāng)UGS=0時(shí)，UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示當(dāng)UGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。當(dāng)UGS＜0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UP表示。UGS(V)ID(mA)N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為ID≈K(UGS-UP)2溝道較短時(shí)，ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)UPID≈IDSS(1-UGS/UP)2常用關(guān)系式：Sect3.3.3各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型Sect絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型Sect場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)Sect4.直流輸入電阻RGS柵源間所加的恒定電壓UGS與流過柵極電流IGS之比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管RGS約是109～1015Ω。5.漏源擊穿電壓BUDS使ID開始劇增時(shí)的UDS。6.柵源擊穿電壓BUGSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓Sect

1.低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用gm的求法:①圖解法—gm實(shí)際就是轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率②解析法：如增強(qiáng)型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2Sect

2.襯底跨導(dǎo)gmb反映了襯底偏置電壓對(duì)漏極電流ID的控制作用——跨導(dǎo)比Sect5.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容Cgb—柵極與襯底間電容

Csd—源極與漏極間電容Csb—源極與襯底間電容Cdb—漏極與襯底間電容主要的極間電容有：Sect3.3、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管IGFET（MOS）分增強(qiáng)型和耗盡型兩類：各類有分NMOS和PMOS兩種：1)NMOS（MetalOxidizedSemiconductor)

NMOS（D）P襯底NN源極門極漏極SGD增強(qiáng)型N溝道示意B基底NMOS（E）P襯底NN源極門極漏極SGD耗盡型N溝道示意B基底Sio2Sio2N溝道GDSGGGBB++2）P溝道MOS（MetalOxidizedSemiconductor)

N襯底PP源極門極漏極SGD增強(qiáng)型P溝道示意B基底PMOS（E）N襯底PP源極門極漏極SGD耗盡型P溝道示意B基底Sio2Sio2P溝道GDSGGGBB--PMOS（D）(1)工作狀態(tài)示意圖P襯底NNSGDUGSUDSBID耗盡區(qū)++++----GDSBIDUDSUGS(2)IGFET工作原理(NMOS)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理類似結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。增強(qiáng)型IGFET象雙結(jié)型三極管一樣有一個(gè)開啟電壓VT，（相當(dāng)于三極管死區(qū)電壓）。當(dāng)UGS低于VT時(shí)，漏源之間夾斷。ID=0當(dāng)UGS高于VT時(shí)，漏源之間加電壓后。

ID=ID0（-1）2；IDO為2VT時(shí)的ID

當(dāng)UDS小于等于UGS-VT時(shí)，進(jìn)入可變電阻區(qū)

UGSVT?uGS?iDgm=2ID0(UGS-1)VT=VT2IDID0VT(3)IGFET（E）特性曲線UDS可變電阻區(qū)截止區(qū)IB≤0UDS=UGS-VTNMOS的輸出特性曲線2.0V4.0V6.0VUGS=8.0VμA

ID放大區(qū)0擊穿區(qū)UDS=5VUGSVID

μA024682001501005020015010050NMOS的轉(zhuǎn)移特性曲線(4)主要參數(shù)：1）開啟電壓VT:手冊(cè)給出是ID為一微小值時(shí)的VGS2）飽和漏極電流IDO;VGS=2VT時(shí)的ID3)、電壓控制電流系數(shù)gm=

也稱跨導(dǎo)（互導(dǎo)）4）交流輸出電阻rds=5)極限參數(shù)：V（BR）DS漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。

V（BR）GS柵源間的最高反向擊穿

PDM最大漏極允許功耗，與三極管類似。vgsidUds=常數(shù)udsidvgs=常數(shù)?uds?id2IDID0VT=3）FET的三種工作組態(tài)以NMOS（E）為例：IDGRDSBUDSUGS輸入輸出共源組態(tài)：輸入：GS輸出：DSGRDDBUDSUGS輸入輸出共漏組態(tài)：輸入：GS輸出：DSGRDSBUDS輸入輸出共柵組態(tài)：輸入：GS輸出：DS一.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：

G：柵極

D：漏極

S：源極符號(hào)：3.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵源間加負(fù)電壓VGS

，令VDS=0

①當(dāng)VGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│VGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│VGS│到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓Up——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓VGS。（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

在漏源間加電壓VDS

，令VGS=0

由于VGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)VDS=0時(shí)，ID=0。②VDS↑→ID↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)VDS↑，使VGD=VGS-

VDS=VP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，VDS↑→ID↑。預(yù)夾斷后，VDS↑→ID幾乎不變。④VDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。（3）柵源電壓VGS和漏源電壓VDS共同作用可用輸兩組特性曲線來描繪。

ID=f（VGS、VDS）（1）輸出特性曲線：ID=f（VDS）│VGS=常數(shù)

3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線四個(gè)區(qū)：①可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷前。②電流飽和區(qū)（恒流區(qū)）：預(yù)夾斷后。

特點(diǎn)：△ID

/△VGS≈常數(shù)=gm

即：△ID

=gm△VGS（放大原理）③擊穿區(qū)。④夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲演示：動(dòng)畫（2-6）

動(dòng)畫（2-7）（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：ID=f（VGS）│VDS=常數(shù)4.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)

開啟電壓VT

VT

是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

（2）夾斷電壓VP

VP

是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時(shí),漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場(chǎng)效應(yīng)管,RGS可達(dá)109～1015Ω。（5）

低頻跨導(dǎo)gm

gm反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。（6）最大漏極功耗PDM

PDM=VDSID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。1.直流偏置電路：保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號(hào)不失真

二.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路