第三章場效應(yīng)管

第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1場效應(yīng)晶體管3.2場效應(yīng)管放大電路作業(yè)：習(xí)題3-43-73-83-103-11本章的重點與難點重點:理解場效應(yīng)管的工作原理；掌握場效應(yīng)管的外特性及主要參數(shù)；掌握場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點與動態(tài)參數(shù)（Au、Ri、Ro）的分析方法。難點:通過外部電壓對導(dǎo)電溝道的控制作用來說明結(jié)型場效應(yīng)管及絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理。第3章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路

場效應(yīng)管輸入回路內(nèi)阻很高(107~1012)，熱穩(wěn)定性好，噪聲低，比晶體管耗電小，應(yīng)用廣泛。僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。場效應(yīng)管（FET）：是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。3.1場效應(yīng)晶體管分類：結(jié)型(JFET)絕緣柵型(IGFET)每種類型的場效應(yīng)管又分為N溝道和P溝道兩種類型。3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管N溝道結(jié)型場效應(yīng)管是在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個高摻雜的P區(qū)，將它們連接在一起引出電極柵極g。N型半導(dǎo)體分別引出漏極d、源極s，P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導(dǎo)電溝。結(jié)型場效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種類型。1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)sgP+N導(dǎo)電溝道源極s柵極g漏極d結(jié)型場效應(yīng)管的符號N溝道符號dsgdsgP溝道符號2.工作原理___電壓控制作用正常工作時在柵-源之間加負(fù)向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓)

漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）這樣既保證了柵源之間的電阻很高，又實現(xiàn)了ugs對溝道電流iD的控制。d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖(以N溝道為例加以說明)（1）ｇ、ｓ間和ｄ、ｓ間短路耗盡區(qū)很窄,導(dǎo)電溝道寬（２）ｇ、ｓ間加負(fù)電壓和ｄ、ｓ間短路|UGS|增加到某一數(shù)值,耗盡區(qū)相接,溝道消失,溝道電阻趨于無窮大，溝道夾斷此時ＵGS的值為夾斷電壓UGS（off）

|UGS|增大，耗盡區(qū)增寬，溝道變窄，溝道電阻增大。等寬變化N溝道JFETUGS(off)<0UDS的作用產(chǎn)生漏極電流ID，使溝道中各點和柵極間的電壓不再相等，近漏極電壓最大，近源極電壓最小。導(dǎo)電溝道寬度不再相等。dsgUDSiD（3）ｇ、ｓ間短路，ｄ、ｓ間加正向電壓隨著UDS的增加，ID近似線性增加,d—s間呈電阻特性。

UGD=UGS-

UDS=

-

UDS當(dāng)UDS增加到|UGS（off）|.漏極附近的耗盡區(qū)相接，稱為預(yù)夾斷。UDSdsgAID隨著UDS增加，ID增大。溝道在漏極處越來越窄。此時，UGD=UGS（off）UDS再增加，夾斷區(qū)長度增加（AA'）。預(yù)夾斷時，導(dǎo)電溝道內(nèi)仍有電流ID，且UDS增大時ID幾乎不變，此時的ID稱為“飽和漏極電流IDSS”A'ｇ、ｓ間的負(fù)電壓使導(dǎo)電溝道變窄（等寬），ｄ、ｓ間的正電壓使溝道不等寬。UGS

增加，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，相同UDS產(chǎn)生的ID減小。dsgUDSUGSID（4）ｇ、ｓ間加負(fù)向電壓，ｄ、ｓ間加正向電壓（綜合（2）（3）兩種情況）稱場效應(yīng)管為電壓控制元件。由于UDS的增加幾乎全部落在夾斷區(qū)，漏極電流ID基本保持不變。ID幾乎僅僅決定于UGS，表現(xiàn)出恒流特性。A'dsgUDSUGSID3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性ID

=f(UDS)UGS=常數(shù)（1）輸出特性曲線因場效應(yīng)管柵極電流幾乎為零，不討論輸入特性。輸出特性和轉(zhuǎn)移特性從圖中可以看出，管子的工作狀態(tài)分為四個區(qū)域：可變電阻區(qū)，恒流區(qū)，夾斷區(qū)及擊穿區(qū)。UGS0預(yù)夾斷軌跡：通過連接各曲線上UGD=UGS（off）的點而成。1)可變電阻區(qū)：

UDS較小、曲線靠近縱軸的部分。也就是預(yù)夾斷軌跡左邊區(qū)域。條件：|UGS|

<|UGS（off）|

|UGD|

<|UGS（off）|

特點：可通過改變UGS大小來改變漏源間電阻值。2)恒流區(qū)(飽和區(qū)，放大區(qū)）：UDS較大、ID基本不隨UDS曲增加而增加的部分。預(yù)夾斷軌跡右邊區(qū)域。條件：|UGS|

<|UGS（off）||UGD|

>|UGS（off）|特點：ID只受UGS控制3)夾斷區(qū)（截止區(qū)）：導(dǎo)電溝道全部夾斷。條件：|UGS|

|

UGS（off）|

特點：ID04)擊穿區(qū)：UDS增加到一定程度，電流急劇增大。不允許管子工作在擊穿區(qū)。432104812UGS

=0V–3V–4V輸出特性轉(zhuǎn)移特性123–1V–20–1–2–3UGS/VUGS(off)UDS/VID/mAID/mA轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系–44（2）轉(zhuǎn)移特性ID

=f(UGS)UDS=常數(shù)反映UGS對ID的控制作用UDS=8VIDSSUGS=0時產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流恒流區(qū)ID近似表達(dá)式為：放大區(qū)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合?？勺冸娮鑵^(qū)時，不同的UDS

，轉(zhuǎn)移特性曲線有很大差別。30–1–2–3UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12N溝結(jié)型場效應(yīng)管，柵源之間加反向電壓。P溝結(jié)型場效應(yīng)管，柵源之間加正向電壓。1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管)柵-源電壓為零時，無導(dǎo)電溝道的管子稱為增強(qiáng)型。柵-源電壓為零時，已建立了導(dǎo)電溝道的管子稱為耗盡型。MOS管分類：N溝道（NMOS）增強(qiáng)型耗盡型P溝道（PMOS）增強(qiáng)型耗盡型

絕緣柵型場效應(yīng)管采用sio2絕緣層隔離，柵極為金屬鋁，又稱為MOS管。

1、N溝道增強(qiáng)型MOS管（1）結(jié)構(gòu)通常襯底和源極連接在一起使用。柵極和襯底各相當(dāng)于一個極板，中間是絕緣層，形成電容。柵-源電壓改變時，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。P型硅襯底源極S柵極G漏極D

襯底引線BN+N+SiO2DBSGN溝道符號DBSGP溝道符號SiO2P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID

=0D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。（2）工作原理1)UGS=0由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層將聚集大量正電荷，排斥P型襯底靠近SiO2的空穴，將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。PN+N+SGD反型層2）UGS>0，UDS=0UGS到達(dá)UGS（th)后，UGS越大，反型層越寬，導(dǎo)電溝道電阻越小，相同的ＵＤＳ產(chǎn)生的電流ＩＤ越大，從而實現(xiàn)了壓控電流作用。

產(chǎn)生反型層（導(dǎo)電溝道）時對應(yīng)的柵-源電壓稱為開啟電壓UGS(th)

PN+N+SGD反型層UDS作用產(chǎn)生漏極電流ID。溝道各點對柵極電壓不再相等，導(dǎo)電溝道寬度不再相等，沿源-漏方向逐漸變窄。

3）UGS>UGS(th），UDS>0P襯底BN+N+SGDUGD=UGS-UDS<UGS當(dāng)UDS較小時，ID隨著的UDS增加而線性增大。

隨著UDS的繼續(xù)增大，UGD減小，當(dāng)UGD=UGS(th）時，導(dǎo)電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預(yù)夾斷。UDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)延長，漏電流ID幾乎不變，管子進(jìn)入恒流區(qū)，ID幾乎僅僅決定于UGS。此時可以把ID近似看成UGS控制的電流源。3）UGS>UGS(th），UDS>0P襯底BN+N+SGD4321051015UGS

=5V6V4V3V2ViD/mAUDS=10VN溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線

0123恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246uGS

/

V（3）特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性uDS/ViD/mA夾斷區(qū)ID和UGS的近似關(guān)系：IDO是UGS

=2UGS(th)時的ID。UDS=10V0123246UGS

/

VUGs(th)ID/mAIDO制造時,在sio2絕緣層中摻入大量的正離子,即使UGS=0，在正離子的作用下，源-漏之間也存在導(dǎo)電溝道。只要加正向UDS，就會產(chǎn)生ID。UGS<0,并且當(dāng)UGS小于某一值時，導(dǎo)電溝道消失，此時的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。結(jié)構(gòu)示意圖P源極S漏極D

柵極GBN+N+正離子反型層SiO22、N溝道耗盡型MOS管dN溝道符號BsgP溝道符號dBsgMOS管符號DBSGN溝道符號DBSGP溝道符號耗盡型MOS管符號增強(qiáng)型MOS管符號432104812UGS

=1V–2V–3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性N溝道耗盡型MOS管的特性曲線1230V–1012–1–2–3UGS/V2.特性曲線IDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mA場效應(yīng)管的符號及特性(p76）結(jié)型N溝道結(jié)型P溝道NMOS增強(qiáng)型NMOS耗盡型PMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）測得某放大電路中三個MOS管的三個電極的電位及它們的開啟電壓如表所示。試分析各管的工作狀態(tài)（夾斷區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513T2-43310T3-4605恒流區(qū)夾斷區(qū)可變電阻區(qū)增強(qiáng)型NMOSPMOS3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th)UDS為固定值能產(chǎn)生漏極電流ID所需的柵-源電壓UGS的最小值它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。（NMOS管為正，PMOS管為負(fù)）（2）夾斷電壓UGS(off)

UDS為固定值使漏極電流近似等于零時所需的柵-源電壓。是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)（NMOS管為負(fù)，PMOS管為正）。（4）直流輸入電阻RGS（DC）

柵-源電壓與柵極電流的比值，其值很高,一般為107-1010左右。

（3）飽和漏極電流IDSS

對于耗盡型MOS管,在UGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流。2、交流參數(shù)gm=iD

/

uGSUDS=常數(shù)

gm是衡量柵-源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數(shù)。（1）低頻跨導(dǎo)gm管子工作在恒流區(qū)并且UDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵-源電壓的微變量之比稱為低頻跨導(dǎo),即（2）交流輸出電阻rdsrds反映了uDS對iD的影響，是輸出特性曲線上Q點處切線斜率的倒數(shù)．rds在恒流區(qū)很大。3、極限參數(shù)（1）最大漏極電流IDM(２)最大漏源電壓UDS(BR)(3)最大柵源電壓UGS(BR)(4)最大耗散功率PDM3.1.4場效應(yīng)管與雙極型晶體管的比較場效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d分別對應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c1）FET是電壓控制元件，輸入阻抗很高；

BJT是電流控制元件，輸入阻抗較小；2）FET（單極型）多子參與導(dǎo)電，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，

FET噪聲系數(shù)?。?/p>

BJT為多子和少子同時參與導(dǎo)電，溫度特性能差；3）FET漏極與源極可以互換使用；BJT的發(fā)射極與集電極一般不能互換使用；FET比BJT的種類多，組成電路更靈活；4）FET工藝簡單，功耗小，電源范圍寬，更多用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。５）ＭＯＳ管的柵極絕緣，外界感應(yīng)電荷不易泄放．例已知某管的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場效應(yīng)管。N溝道增強(qiáng)型MOS管。2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V開啟電壓UGS(th)=4V例電路及管子的輸出特性如圖所示。試分析uI為0、8V和10V三種情況下uO分別為幾伏。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD

/mA4V（3）當(dāng)UGS(th)=10V時，若認(rèn)為T工作在恒流區(qū)，則iD為2.2mA,uo=4V,而uGS=10V時的預(yù)夾斷電壓為uDS=6V說明管子工作在可變電阻區(qū)。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-uDS/V2105101510V8V6ViD/mA4V3場效應(yīng)管組成的放大電路與雙極型晶體管一樣，必須建立合適的靜態(tài)工作點．３.２場效應(yīng)管放大電路３.２.１場效應(yīng)管放大電路的直流偏置及靜態(tài)分析1.自給偏壓電路此電路只適用于耗盡型器件靜態(tài)工作點分析柵極電流為0２、分壓式偏置電路靜態(tài)工作點分析IDQ

UGSQ柵極電流為0增強(qiáng)型MOS管的電流方程