場(chǎng)效應(yīng)管與其放大電路

場(chǎng)效應(yīng)管與其放大電路第一頁(yè)，共52頁(yè)。思考題：

1.溫度升高時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)將如何變化？為何會(huì)產(chǎn)生如此的變化？

2.穩(wěn)定Q點(diǎn)的偏置電路是哪種？

3.穩(wěn)定Q點(diǎn)的措施有哪些？

4.單管小信號(hào)放大器由幾種組態(tài)？哪一種組態(tài)放大器的功率增益最大，哪種放大器的輸入電阻最大，而輸出電阻最??？

5.用作中間放大級(jí)常采用哪種組態(tài)的電路？

6.為何輸入級(jí)常采用射極輸出器？

7.寫(xiě)出三種組態(tài)放大器的電壓增益、電流增益、輸入電阻、輸出電阻的表達(dá)式。第二頁(yè)，共52頁(yè)。2.6場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路一、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理及伏安特性二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理及伏安特性2.6.1場(chǎng)效應(yīng)管工作原理及伏安特性2.6.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)2.6.3場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型2.6.4場(chǎng)效應(yīng)管放大器第三頁(yè)，共52頁(yè)。晶體管的主要特點(diǎn)1.電流控制型器件。2.輸入電流大，輸入電阻小。3.兩種極型的載流子都參與導(dǎo)電，又稱(chēng)為雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)BJT（BipolarJunctionTransistor)。第四頁(yè)，共52頁(yè)。場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)FET(FieldEffectTransistor)。(a)輸入電阻高，可達(dá)107

～1015M。(b)起導(dǎo)電作用只有多數(shù)載流子，又稱(chēng)為單極型晶體管。(c)在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)

場(chǎng)效應(yīng)管是一種依靠多子的漂移運(yùn)動(dòng)形成電流的電壓控制型器件。第五頁(yè)，共52頁(yè)。2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)。按結(jié)構(gòu)可分為場(chǎng)效應(yīng)管的類(lèi)型1.絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)稱(chēng)IGFET

(IsolatedGateFieldEffectTransistor)。按導(dǎo)電溝道分1.N溝道FET2.P溝道FET按導(dǎo)電溝道形成的機(jī)理分

增強(qiáng)型（E型（Enhancement-Type））FET

耗盡型（D型(Depletion-Type)）FET第六頁(yè)，共52頁(yè)。2.6.1場(chǎng)效應(yīng)管工作原理及伏安特性(P.134～144第四章4.5節(jié))一.絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）工作原理及伏安特性在近代大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路中采用的IGFET絕大多數(shù)是金屬---氧化物---半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管。（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor。簡(jiǎn)稱(chēng)為MOSFET）MOSFET分為NE（Enhancement-Type）MOSPEMOSND(Depletion-Type)MOSPDMOS第七頁(yè)，共52頁(yè)。（1）NEMOSFET

的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)(a)為立體結(jié)構(gòu)示意圖(b)為平面結(jié)構(gòu)示意圖(c)電路符號(hào)

下面以N溝道MOSFET為例，討論E型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性。1、增強(qiáng)型（E）MOSFET工作原理及伏安特性(drain)(gate)(source)第八頁(yè)，共52頁(yè)。（2）NEMOS場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道形成過(guò)程及工作原理第九頁(yè)，共52頁(yè)。襯底中的載流子在垂直電場(chǎng)作用下移動(dòng)（同性相斥、異性相吸），直到，形成反型層，N+區(qū)被反型層連在一起，形成導(dǎo)電溝道。此時(shí)若，（A）當(dāng)時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道，。小結(jié)：NEMOS導(dǎo)電溝道的形成及工作原理（1）的控制作用（B）當(dāng)且時(shí)，第十頁(yè)，共52頁(yè)。（C）當(dāng)繼續(xù)增加，導(dǎo)電溝道加深，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。只要，增大。（2）的控制作用開(kāi)始PN結(jié)沿溝道不均勻分布當(dāng)溝道預(yù)夾斷幾乎不變，只是略增（溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)），進(jìn)入恒流區(qū)。第十一頁(yè)，共52頁(yè)。（3）NEMOS場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性式中：UGS（th）——開(kāi)啟電壓(或閾值電壓)；μn——溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；

Cox——單位面積柵極電容；W——溝道寬度；L——溝道長(zhǎng)度；W/L——MOS管的寬長(zhǎng)比。①轉(zhuǎn)移特性當(dāng)時(shí)第十二頁(yè)，共52頁(yè)。主要特點(diǎn)：

(a)當(dāng)uGS<UGSth時(shí)，iD=0。

(b)當(dāng)uGS>UGSth時(shí)，iD>0，

uGS越大，iD也隨之增大，二者符合平方律關(guān)系。②輸出特性

NEMOSFET的輸出特性第十三頁(yè)，共52頁(yè)。它也分為恒流區(qū)、可變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。其特點(diǎn)為：

(A)截止區(qū)：UGS≤UGSth，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。(B)可變電阻區(qū)(a)uDS較小，溝道尚未夾斷；(b)

uDS＜uGS–|UGS(th)|

(c)溝道相當(dāng)于受uGS控制的電阻——壓控電阻，表現(xiàn)為iD～uDS曲線(xiàn)的斜率變化。第十四頁(yè)，共52頁(yè)。(C)恒流區(qū)(飽和區(qū)、放大區(qū))(a)溝道預(yù)夾斷；(c)

iD幾乎與uDS無(wú)關(guān)；即uDS對(duì)

iD的控制能力很弱。(b)uDS>uGS–|UGS(th)|；預(yù)夾斷后的情況：預(yù)夾斷后，

uDS增大部分降在夾斷區(qū)，對(duì)溝道無(wú)影響。第十五頁(yè)，共52頁(yè)。(d)

iD只受uGS的控制；即uGS對(duì)iD的控制能力很強(qiáng)。電流方程為：式中是時(shí)的電流。N溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性曲線(xiàn)第十六頁(yè)，共52頁(yè)。④擊穿區(qū)

近漏區(qū)PN結(jié)反偏電壓，達(dá)到一定值時(shí)

PN結(jié)擊穿，。越小擊穿點(diǎn)左移。第十七頁(yè)，共52頁(yè)。P溝道增強(qiáng)型（E）MOS，原理同NEMOS，區(qū)別在于：（a）結(jié)構(gòu)（b）電路符號(hào)第十八頁(yè)，共52頁(yè)。P溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性曲線(xiàn)

電流方程第十九頁(yè)，共52頁(yè)。2、耗盡型(D)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理及伏安特性（1）NDMOSFET

的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)

（a）結(jié)構(gòu)圖（b）電路符號(hào)在Sio2絕緣層中加入金屬正離子，使即便，仍有導(dǎo)電溝道。第二十頁(yè)，共52頁(yè)。（2）NDMOS場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)單工作原理

、對(duì)溝道的控制作用與NEMOS基本相同。差別在于由于仍有導(dǎo)電溝道，只要在漏源之間加上正向電壓，就會(huì)產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)時(shí)，溝道中的自由電子增多，溝道變寬，在作用下，漏極電流增大。

當(dāng)時(shí)，溝道中的自由電子減少，耗盡層變寬，溝道變窄，漏極電流減少。

第二十一頁(yè)，共52頁(yè)。常將溝道夾斷時(shí)的柵源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，用表示。式為溝道消失的條件。

當(dāng)該負(fù)電壓達(dá)到某一值時(shí)，溝道中的自由電子消失，耗盡層擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷。這時(shí)即便有，也不會(huì)有漏極電流。N溝道DMOS場(chǎng)效應(yīng)管可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵極電流，這是DMOS場(chǎng)效應(yīng)管的重要特點(diǎn)之一。第二十二頁(yè)，共52頁(yè)。（3）NDMOS場(chǎng)效應(yīng)管的伏安特性N溝道DMOS場(chǎng)效應(yīng)管在恒流區(qū)的電流方程

式中為柵源電壓時(shí)的漏極電流，稱(chēng)為飽和漏極電流?？勺冸娮鑵^(qū)、恒流區(qū)、截止區(qū)等各區(qū)的特點(diǎn)與NEMOS相同。第二十三頁(yè)，共52頁(yè)。（1）PDMOSFET

的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)（a）結(jié)構(gòu)（b）電路符號(hào)P溝道DMOS場(chǎng)效應(yīng)管溝道消失的條件為第二十四頁(yè)，共52頁(yè)。PDMOSFET

的伏安特性曲線(xiàn)

P溝道DMOS場(chǎng)效應(yīng)管在恒流區(qū)的電流方程

第二十五頁(yè)，共52頁(yè)。2.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的類(lèi)別和符號(hào)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道(NMOS)P溝道(PMOS)N溝道(NMOS)P溝道(PMOS)耗盡型NMOS耗盡型PMOS增強(qiáng)型NMOS增強(qiáng)型PMOSMOSFET第二十六頁(yè)，共52頁(yè)。二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的工作原理及伏安特性JFET分為N溝道P溝道1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)第二十七頁(yè)，共52頁(yè)。2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的工作原理以N溝道JFET為例(1).uDS=0時(shí)，uGS對(duì)溝道的控制作用第二十八頁(yè)，共52頁(yè)。(2)．當(dāng)uGS

=0時(shí)，uDS對(duì)溝道的控制作用

第二十九頁(yè)，共52頁(yè)。(3)當(dāng)時(shí)，對(duì)溝道的控制作用

①當(dāng)時(shí)，溝道最寬，在D、S極間加為定值，形成多子漂移電流；此時(shí)最大。源端——電子發(fā)源端——源極S漏端——電子接收端——漏極D②當(dāng)時(shí)，PN結(jié)反偏，，；PN結(jié)反偏電壓PN結(jié)變厚，溝道變窄，溝道電阻增大在同樣作用下，??；第三十頁(yè)，共52頁(yè)。若，當(dāng)時(shí)，溝道消失，；即溝道全夾斷。上述過(guò)程體現(xiàn)了對(duì)的控制作用，電壓控制型器件。③為定值，時(shí)，若很小，沿溝道形成電場(chǎng)，PN結(jié)不均勻。溝道預(yù)夾斷。此時(shí)溝道夾斷面略增。（溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）不變，飽和，。實(shí)際上第三十一頁(yè)，共52頁(yè)。3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的伏安特性（1）轉(zhuǎn)移特性式中：---飽和電流，表示時(shí)的值；---夾斷電壓，時(shí)為零。第三十二頁(yè)，共52頁(yè)。

結(jié)論：對(duì)于N溝道JFET，要保證對(duì)的有效控制，必須滿(mǎn)足（2）輸出特性為了增大輸入阻抗，不允許出現(xiàn)柵流，也為了使柵源電壓對(duì)溝道寬度及漏極電流有效地進(jìn)行控制，PN結(jié)一定要反偏，所以在N溝道JFET中，必須為負(fù)值。①②PN結(jié)反偏第三十三頁(yè)，共52頁(yè)。JFET的伏安特性曲線(xiàn)根據(jù)特性曲線(xiàn)的各部分特征，同樣將其劃分為四個(gè)區(qū)域，截止區(qū)、可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)。第三十四頁(yè)，共52頁(yè)。d.只受的控制，隨的增加而增大。滿(mǎn)足放大區(qū)（飽和區(qū)、恒流區(qū)）a.溝道預(yù)夾斷；b.c.幾乎與無(wú)關(guān)。

增加，幾乎不變；

對(duì)的控制能力弱。主要降在夾斷區(qū)。第三十五頁(yè)，共52頁(yè)。d.管子相當(dāng)于受控制的壓控電阻。c.

變化，溝道電場(chǎng)強(qiáng)度變化，變化。②可變電阻區(qū)

a.較??；b.溝道尚未夾斷；

曲線(xiàn)斜率說(shuō)明JFET的輸出電阻第三十六頁(yè)，共52頁(yè)。③截止區(qū)a.b.溝道被全夾斷；c.，管子相當(dāng)于斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。④擊穿區(qū)

近漏區(qū)PN結(jié)反偏電壓，達(dá)到一定值時(shí)

PN結(jié)擊穿，。越負(fù)擊穿點(diǎn)左移。第三十七頁(yè)，共52頁(yè)。P溝道JFET的、極性相反，工作原理相同，特性相同。第三十八頁(yè)，共52頁(yè)。FET分類(lèi)：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道小結(jié)：第三十九頁(yè)，共52頁(yè)。分類(lèi)電路符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性JFETN溝道P溝道IGFETN溝道E型D型P溝道E型D型第四十頁(yè)，共52頁(yè)。2.6.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)

1.JFET和耗盡型MOSFET的主要參數(shù)

(1)飽和漏極電流IDSS（ID0）：對(duì)應(yīng)uGS=0時(shí)的漏極電流。

(2)夾斷電壓UGS（off）：當(dāng)uGS=UGS（off）時(shí)，iD=0，溝道消失。

2.增強(qiáng)型MOSFET的主要參數(shù)開(kāi)啟電壓UGS（th），當(dāng)uGS>uGS（th）時(shí)，導(dǎo)電溝道才形成，iD≠0。

3.輸入電阻RGS

輸入電阻很大，JFET108～1012ΩMOSFET1010～1015Ω第四十一頁(yè)，共52頁(yè)。二、極限參數(shù)

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

(1)柵源擊穿電壓U(BR)GSO。

(2)漏源擊穿電壓U(BR)DSO。