第五章 場效應(yīng)管

第五章場效應(yīng)管第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日G(柵極)S源極D漏極1、結(jié)構(gòu)5.1結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)擴(kuò)散情況：NP>>NNNPP基底

：N型半導(dǎo)體兩邊是P區(qū)導(dǎo)電溝道NPP5.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號柵極上的箭頭表示柵極電流的方向（由P區(qū)指向N區(qū)）。

結(jié)型場效應(yīng)管代表符號中柵極上的箭頭方向，可以確認(rèn)溝道的類型。第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日2、工作原理（以N溝道為例）vDS=0V時vGSNGSDvDSNNPPiDPN結(jié)反偏，vGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。vGS<0V(1)vGS對導(dǎo)電溝道及iD的控制第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日vDS=0V時NGSDvDSvGSNNiDPPvGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。但當(dāng)vGS較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日VDS=0時NGSDVDSVGSPPIDVGS達(dá)到一定值時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使vDS0V，漏極電流iD=0A。第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日vGS<Vp且vDS>0、vGD=vGS-vDS<VP時耗盡區(qū)的形狀NGSDvDSvGSPPiD越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大6V6V0V2V4V

導(dǎo)電溝道中電位分布情況

(1)vDS對iD的影響第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日vGS<Vp且vDS較大時vGD<VP時耗盡區(qū)的形狀NGSDvDSvGSPPiD溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日vGS<VpvGD=VP時vDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。NGSDvDSvGSPPiD漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日vGS<VpvGD=VP時此時，電流iD由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨vDS的增加而增加，呈恒流特性。NGSDvDSvGSPPiD第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日結(jié)論：（1）因為柵源間加反向電壓，故柵極幾乎不取電流；（2）輸出電流id受vGS控制，故場效應(yīng)管是一種電壓控制器件；（3）由于受電場梯度的影響，耗盡層呈上寬下窄的形式，故總是溝道的上部先被夾斷；NGSDvDSvGSPPiD第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日恒流區(qū)（飽和區(qū)）-2VvGS=0V-1V-3V-4V-5V予夾斷曲線vDSiD0擊穿區(qū)5.1.2JFET的特性曲線及參數(shù)１.輸出特性可變電阻區(qū)夾斷區(qū)第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日vmAvvDSvGS（1）轉(zhuǎn)移特性

ID=f(VGS)|Vds飽和漏電流IDSS：vGS=0時的漏極電流。飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線一定vDS下的iD-vGS曲線夾斷電壓VP：iD接近于0時的柵源電壓。①飽和區(qū)中的各條轉(zhuǎn)移特性幾乎重合，通常我們就用一條曲線來表示。②轉(zhuǎn)移特性的經(jīng)驗公式：2.轉(zhuǎn)移特性VGSiDIDSS0VP第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日予夾斷曲線iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線0P溝道JFET第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日VGSiDIDSS0VP第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線一定vDS下的iD-vGS曲線vGS0iDIDSSVP第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日(a)輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線由輸出特性曲線畫出轉(zhuǎn)移特性曲線第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日一、直流參數(shù)

(1)夾斷電壓VP：當(dāng)柵源電壓vGS=VP時，iD=0。

(2)飽和漏極電流IDSS(ID0)：IDSS指的是對應(yīng)vGS=0時的漏極電流。

(3)直流輸入電阻RGSRGS在106~109Ω之間。通常認(rèn)為RGS

→∞。３.主要參數(shù)第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日二、極限參數(shù)

場效應(yīng)管也有一定的運(yùn)用極限，若超過這些極限值，管子就可能損壞。場效應(yīng)管的極限參數(shù)如下：

(1)最大漏源電壓V(BR)DS。

(2)最大柵源電壓V(BR)GS。

(3)最大功耗PDM：PDM=ID·VDS第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、交流參數(shù)

1跨導(dǎo)gm

gm的大小可以反映柵源電壓VGS對漏極電流iD的控制能力的強(qiáng)弱。

gm可以從轉(zhuǎn)移特性或輸出特性中求得，也可以用公式計算出來。

2.輸出電阻r

ds輸出電阻rds定義為第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日場效應(yīng)管的零溫度系數(shù)點(diǎn)

四、關(guān)于溫度穩(wěn)定性場效應(yīng)管導(dǎo)電機(jī)理為多數(shù)載流子導(dǎo)電，熱穩(wěn)定性較晶體三極管好。而且場效應(yīng)管還存在一個零溫度系數(shù)點(diǎn)，在這一點(diǎn)工作，溫度穩(wěn)定性會更好。第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日

結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.2絕緣柵場效應(yīng)管(MOS管):PP型基底SiO2絕緣層金屬鋁+++++------電子反型層MOS電容E第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日+++++PP型基底SiO2絕緣層

金屬鋁------電子反型層摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日一、結(jié)構(gòu)和電路符號PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDN溝道增強(qiáng)型第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日N溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道GSD第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日P溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導(dǎo)電溝道第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日二、MOS管的工作原理以N溝道增強(qiáng)型為例PNNGSDvDSvGSvGS=0時D-S間相當(dāng)于兩個反接的PN結(jié)iD=0對應(yīng)截止區(qū)第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日PNNGSDvDSvGSvGS>0時vGS足夠大時（vGS>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為開啟電壓第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日vGS較小時，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，vGS越大此電阻越小。PNNGSDvDSvGS第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日PNNGSDvDSvGS當(dāng)vDS不太大時，導(dǎo)電溝道在兩個N區(qū)間是均勻的。當(dāng)vDS較大時，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日PNNGSDvDSvGS夾斷后，即使vDS繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特性。iDvDS增加，vGD=VT時，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、增強(qiáng)型N溝道MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日輸出特性曲線iDvDS0iGS>0第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日四、耗盡型N溝道MOS管的特性曲線耗盡型的MOS管vGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日輸出特性曲線iDvDS0vGS=0vGS<0vGS>0第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日五、說明：（1）MOS管由四種基本類型；（2）MOS管的特性與結(jié)型場效應(yīng)管的特性類似；（3）增強(qiáng)型的MOS管的vGS必須超過一定的值以使溝道形成；耗盡型的MOS管使形成溝道的vGS可正可負(fù)；（4）MOS管的輸入阻抗特別高（5）衡量場效應(yīng)管的放大能力用跨導(dǎo)

單位：ms第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日六、MOS管的有關(guān)問題（2）交流參數(shù) 低頻跨導(dǎo)： 極間電容：柵源電容CGS，柵漏電容CGD，漏源電容CDS（3）極限參數(shù)最大漏極電流IDM，最大耗散功率P0M，漏源擊穿電壓V(BR)DS

柵源擊穿電壓VBR)GS1、主要參數(shù)

（1）直流參數(shù)開啟電壓VT——指增強(qiáng)型的MOS管夾斷電壓VP——指耗盡型的MOS管零柵壓漏極電流IDSS直流輸入電阻：通常很大1010~1015Ω左右第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日六、MOS管的有關(guān)問題2、場效應(yīng)管與三極管的比較第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日六、MOS管的有關(guān)問題3、使用注意事項（1）結(jié)型場效應(yīng)管的柵源電壓不能接反，但可在開路狀態(tài)下保存；（2）MOS管在不使用時，須將各個電極短接；（3）焊接時，電烙鐵必須有外接地線，最好是斷電后再焊接；（4）結(jié)型場效應(yīng)管可用萬用表定性檢測管子的質(zhì)量，而MOS管必須用專門的儀器來檢測；（5）若用四引線的場效應(yīng)管，其襯底引線應(yīng)正確連接；第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日vGSiD0vDS:N溝道加正壓

P溝道加負(fù)壓各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比

(a)轉(zhuǎn)移特性IDSSVPIDSSN溝道JFETN溝道增強(qiáng)MOSVTN溝道耗盡MOSP溝道耗盡MOSP溝道增強(qiáng)MOSVTP溝道JFETIDSSVPVPVP第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比

(b)輸出特性結(jié)型vGS和vDS相反增強(qiáng)型vGS同vDS同極性耗盡型vGS任意第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

極性放大區(qū)條件vDSN溝道管：正極性(vDS>0)vDS>vGS－VP>0P溝道管：負(fù)極性(vDS<0)vDS<VGS－VP<0vGS結(jié)型管：反極性增強(qiáng)型MOS管：同極性耗盡型MOS管：雙極型N溝道管：vGS>VP(或VT)P溝道管：vGS<VP(或VT)FET放大偏置時vDS與vGS應(yīng)滿足的關(guān)系

第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日§5.4場效應(yīng)管放大電路(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。(2)動態(tài)：能為交流信號提供通路。組成原則：靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法：

場效應(yīng)管是電壓控制器件。它利用柵源電壓來控制漏極電流的變化。它的放大作用以跨導(dǎo)來體現(xiàn)，在場效應(yīng)管的漏極特性的水平部分，漏極電流iD的值主要取決于vGS，而幾乎與vDS無關(guān)。第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日1、自偏壓電路2、分壓式自偏壓電路Rg：使g與地的直流電位幾乎相同（因上無電流）。R：當(dāng)IS流過R時產(chǎn)生直流壓降ISR，使S對地有一定的電壓：VGS=－ISR=－IDR<0場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)分析1.直流偏置電路VDDRdR-Rg+vGSiD-viC1+CSC2-+RLvoVDD=18VRCRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kT++Cb2Cb147u4.7u0.01u第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日Q點(diǎn)：VGS、ID、VDSVGS=VDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-IDR可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS靜態(tài)工作點(diǎn)以自偏壓電路為例(1)近似估算法

Cb10.01u4.7uCb2VDD=18VRCRdRg10M30k2kT++47u++--gsdvivo第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日VDS=VDD-ID(Rd+R)VP=-1VIDSS=0.5mAID=0.5mA(1+0.4-2ID)2ID=(0.95+0.64,0.95-0.64)mAID<=IDSSVDD=18VRCRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kT++Cb2Cb147u4.7u0.01u第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日以自偏壓電路為例(2)圖解分析法

VGS=0vVdsiD3v1.5v-3v-1.5v由輸出回路：VDD=VDS+ID(RD+RS)作出直流負(fù)載線在轉(zhuǎn)移特性上作源極負(fù)載線點(diǎn)所對應(yīng)的VDS、VGS、ID；UGSiD-31.501.53VDD由輸出特性：ID=f(Vds)|VGS由輸入回路：VGS=VG－VS=－IDRS作負(fù)載轉(zhuǎn)移特性VDSVGSID第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日（1）根據(jù)VDD=Vds+ID（RD+RS）在輸出特性上作直流負(fù)載線；（2）作負(fù)載轉(zhuǎn)移特性；（3）作源極負(fù)載線；（4）決定靜態(tài)工作點(diǎn)；（5）在轉(zhuǎn)移特性和輸出特性上求出QVGS=0vVDSiD3v1.5v-3v-1.5vVGSiD-31.501.53VDDVDSVGSID步驟：第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.4.2場效應(yīng)管的微變等效電路GSD跨導(dǎo)：反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性中工作點(diǎn)處的斜率。

漏極輸出電阻：（很大，?？梢钥醋鏖_路）；它是輸出特性工作點(diǎn)處的切線斜率的倒數(shù)。

vGSiDvDS1、參數(shù)的導(dǎo)出

第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日很大，可忽略。2、等效電路GSDvGSiDvDSSGDrDSSGD第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日GSDvGSiDvDS3、gm的求法由得在工作點(diǎn)上：vGS=VGS其中：——場效應(yīng)管為零偏置時的跨導(dǎo)第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日一、靜態(tài)分析求：VDS和

ID。設(shè)：VG>>VGS則：VGVS而：IG=0所以：voVDD=20VRSviCSR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k例5.1第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日VDD=20VvoRSviCSR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、動態(tài)分析微變等效電路Ro=RD=10kR2R1RGvi+-sgdRL'RLRDvo-+第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日VDD=20VvoRSviR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kCS微變等效電路Ro=RD=10kR2R1RGvi+-sgdRL'RLRDvo-+RS第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日共漏極放大器——源極輸出器vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、靜態(tài)分析VSVGVDS=VDD-VS

=20-5=15V第五十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G二、動態(tài)分析RiRo

RogR2R1RGsdRLRS