第四章場效應管

1、 場效應管是利用電場效應來控制電流場效應管是利用電場效應來控制電流大小，與雙極型晶體管不同，它是多子導大小，與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好、噪聲低。電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好、噪聲低。結型場效應管結型場效應管JFET.絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管MOS;場效應管有兩種場效應管有兩種:引言：引言：HOME場效應管的分類場效應管的分類) 0(P) 0(N) 00(P) 00(N) 00(P) 00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增強型絕緣柵型，溝道，溝道結型場效應管uuuuuuuuuuuu1.1.結

2、構及符號結構及符號4.1 結型場效應管結型場效應管N基底基底 ：N型半導體型半導體PP兩邊是兩邊是P區(qū)區(qū)G(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極導電溝道導電溝道HOMES源極源極NPPG(柵極柵極)D漏極漏極N溝道結型場效應管溝道結型場效應管DGSDGSHOMES源極源極PNNG(柵極柵極)D漏極漏極P溝道結型場效應管溝道結型場效應管DGSDGSHOME2.2.工作原理（以工作原理（以N N溝道為例）溝道為例）UDS=0V時時NGSDUDS=0UGSNNPPIDPN結反偏，結反偏，|UGS|越大則耗盡區(qū)越越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越寬，導電溝道越窄。窄。(1)、VDS=0，G、S加負電壓：HOMEN

3、GSDUDS=0UGSPPUDS=0時時UGS達到一定值時達到一定值時（夾斷電壓夾斷電壓VGS,off）,耗盡區(qū)碰到一起，耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，間被夾斷，這時，即使即使UDS 0V，漏極，漏極電流電流ID=0A。IDHOMENGSDUDSUGS=0UGS=0且且UDS0時時耗盡區(qū)的形狀耗盡區(qū)的形狀PP越靠近漏端，越靠近漏端，PN結反壓越大結反壓越大ID(2)、VGS=0，D、S加正電壓：HOMENGSDUDSNNIDPPUGS越大耗盡區(qū)越越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電寬，溝道越窄，電阻越大。阻越大。但當?shù)擴GS較小時，耗盡較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導區(qū)寬度有限，存在導電溝道。電

4、溝道。DS間相當于間相當于線性電阻。線性電阻。(3)、G、S加負電壓，D、S加正電壓：UGSHOMENGSDUDSUGSVGS,off且且UDS較大時較大時UGDVGS,off時耗盡區(qū)的形狀時耗盡區(qū)的形狀PP溝道中仍是電阻溝道中仍是電阻特性，但是是非特性，但是是非線性電阻。線性電阻。IDUGSHOMENGSDUDSUGSVGS,off UGD=VGS,off時時PP漏端的溝道被夾斷，漏端的溝道被夾斷，稱為稱為予夾斷。予夾斷。UDS增大則被夾斷增大則被夾斷區(qū)向下延伸。區(qū)向下延伸。IDUGSHOMENGSDUDSUGS0時時UGS足夠大時足夠大時（UGSVGS(Th)）感應出足夠多電感應出足夠多電

5、子，這里出現(xiàn)以子，這里出現(xiàn)以電子導電為主的電子導電為主的N型導電溝道型導電溝道(反型層）。反型層）。感應出電子（反型層）感應出電子（反型層）VGS(Th)稱為閾值電壓稱為閾值電壓HOMEUGS較小時，導較小時，導電溝道相當于電電溝道相當于電阻將阻將D-S連接起連接起來，來，UGS越大此越大此電阻越小。電阻越小。PNNGSDUDSUGSHOMEPNNGSDUDSUGS當當UDS不太大不太大時，導電溝時，導電溝道在兩個道在兩個N區(qū)區(qū)間是均勻的。間是均勻的。當當UDS較大時，較大時，靠近靠近D區(qū)的導區(qū)的導電溝道變窄。電溝道變窄。HOMEPNNGSDUDSUGS夾斷后，即夾斷后，即使使UDS 繼續(xù)繼續(xù)

6、增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性。IDUDS增加，增加，UGD=VGS(Th) 時，靠近時，靠近D端的溝道被端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。夾斷，稱為予夾斷。HOMEBVGS=constVDSiDVGS-VGS(TH) 預夾斷后，預夾斷后，夾斷點向源極方夾斷點向源極方向移動，溝道的向移動，溝道的長度略有減小，長度略有減小，相應的溝道電阻相應的溝道電阻略有減小，結果略有減小，結果漏極電路稍有增漏極電路稍有增大大溝道長度調溝道長度調制效應制效應HOME伏安特性伏安特性IDU DS0UGS0NMOS輸出特性曲線輸出特性曲線非飽非飽和區(qū)和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)1.1.增強型特性曲線增強型特性曲

7、線HOME0IDUGSVTNMOS轉移特性曲線轉移特性曲線HOME2,()DGSGS thiK uU耗盡型 MOS管 耗盡型耗盡型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0時均可導時均可導通，且與結型場效應管不同，由于通，且與結型場效應管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在絕緣層的存在，在uGS0時仍保持時仍保持g-s間電阻非常大的特點。間電阻非常大的特點。加正離子加正離子小到一定小到一定值才夾斷值才夾斷uGS=0時就存在時就存在導電溝道導電溝道 在集成電路中，許多MOS管都制作在同一襯底上，為了保證襯底與源、漏區(qū)之間的PN結反偏，襯底必須接在電路的最低電位上。襯底效應 若某些MOS管

8、的源極不能處在電路的最低電位上，則其源極與襯底極不能相連，其間就會作用著負值的電壓VUS,在負值襯底電壓VUS作用下，P型硅襯底中的空間電荷區(qū)將向襯底底部擴展，空間電荷區(qū)中的負離子數(shù)增多。 可見， VUS和VGS一樣，也具有對ID的控制作用，故又稱襯底電極為背柵極，不過它的控制作用遠比VGS小。 實際上， VUS對ID的影響集中反映在對VGS(th)的影響上。 VUS向負值方向增大， VGS(th)也就相應增大。因而，在VGS一定時， ID就減小。 但是由于VGS不變，即柵極上的正電荷量不變，因而反型層中的自由電子數(shù)就必然減小，從而引起溝道電阻增大，ID減小。HOME2.2.耗盡型特性曲線耗盡

9、型特性曲線： 耗盡型的耗盡型的MOS管管UGS=0時就有導電溝道，加反時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。向電壓才能夾斷。轉移特性曲線轉移特性曲線0IDUGSVGSoffHOME輸出特性曲線輸出特性曲線IDU DS0UGS=0UGS0HOME雙雙極極型型三三極極管管場場效效應應管管結結構構NPN 型型PNP 型型C 與與 E 一一般般不不可可倒倒置置使使用用結結型型耗耗盡盡型型 N 溝溝道道 P 溝溝道道絕絕緣緣柵柵增增強強型型 N 溝溝道道 P 溝溝道道絕絕緣緣柵柵耗耗盡盡型型 N 溝溝道道 P 溝溝道道D 與與 S 有有的的型型號號可可倒倒置置使使用用載載流流子子多多子子擴擴散散少少子子漂

10、漂移移多多子子漂漂移移輸輸入入量量電電流流輸輸入入電電壓壓輸輸入入控控制制電電流流控控制制電電流流源源 CCCS() 電電壓壓控控制制電電流流源源 VCCS(gm)雙極型和場效應型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較雙雙極極型型三三極極管管場場效效應應管管噪噪聲聲較較大大較較小小溫溫度度特特性性受受溫溫度度影影響響較較大大較較小小，有有零零溫溫度度系系數(shù)數(shù)點點輸輸入入電電阻阻幾幾十十歐歐姆姆幾幾千千歐歐姆姆 幾幾兆兆歐歐姆姆以以上上靜靜電電影影響響不不受受靜靜電電影影響響易易受受靜靜電電影影響響集集成成工工藝藝不不易易大大規(guī)規(guī)模模集集成成適適宜宜大大、超超大大規(guī)規(guī)模模集集成成雙極型和場效應

11、型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較( (續(xù)續(xù)) )DSSI、飽和漏極電流1offGSU,2、夾斷電壓thGSU,3、開啟電壓GSR、直流電阻4mg、低頻跨導1常量DSUGSDmuigDMP耗散功率最、1大允許漏極、最大漏極電流3DSBRU)(2、漏源擊穿電壓、極間電容2（1）直流參數(shù)）直流參數(shù)（2）交流參數(shù)）交流參數(shù)（3）極限參數(shù)）極限參數(shù)HOME4.3 主要參數(shù)主要參數(shù)表表3-2 3-2 常用場效應三極管的參數(shù)常用場效應三極管的參數(shù) 參 數(shù)型 號PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 30

12、03DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 6 11 20 20 -5.5 83DO2E 1000.35 1.2 12 25 1000CS11C 1000.3 1 -25 -4 2 四四 場效應三極管的型號場效應三極管的型號1.與雙極型三極管相同與雙極型三極管相同： 第三位字母第三位字母 J 代表結型場效應管，代表結型場效應管，O 代表絕緣柵型場效應管。代表絕緣柵型場效應管。 第二位字母代表材料，第二位字母代表材料，D是是P型硅，反型層是型硅，反型層是N溝道；溝道；C是是N型型硅硅P溝道。溝道。 例如例如3DJ6D是結型是結型N溝道場效應三極管，溝道場效應三極管，3D

13、O6C是絕緣柵型是絕緣柵型N溝道場效應三極管。溝道場效應三極管。CS代表場效應管，代表場效應管，以數(shù)字代表型號的序號，以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。表同一型號中的不同規(guī)格。例如例如CS14A、CS45G等。等。場效應三極管的型號現(xiàn)行有兩種命名方法：場效應三極管的型號現(xiàn)行有兩種命名方法：2.第二種命名方法是第二種命名方法是CS#：雙雙極極型型三三極極管管場場效效應應管管結結構構NPN 型型PNP 型型C 與與 E 一一般般不不可可倒倒置置使使用用結結型型耗耗盡盡型型 N 溝溝道道 P 溝溝道道絕絕緣緣柵柵增增強強型型 N 溝溝道道 P 溝溝道道絕絕緣緣柵柵耗耗盡

14、盡型型 N 溝溝道道 P 溝溝道道D 與與 S 有有的的型型號號可可倒倒置置使使用用載載流流子子多多子子擴擴散散少少子子漂漂移移多多子子漂漂移移輸輸入入量量電電流流輸輸入入電電壓壓輸輸入入控控制制電電流流控控制制電電流流源源 CCCS() 電電壓壓控控制制電電流流源源 VCCS(gm)雙極型和場效應型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較雙雙極極型型三三極極管管場場效效應應管管噪噪聲聲較較大大較較小小溫溫度度特特性性受受溫溫度度影影響響較較大大較較小小，有有零零溫溫度度系系數(shù)數(shù)點點輸輸入入電電阻阻幾幾十十歐歐姆姆幾幾千千歐歐姆姆 幾幾兆兆歐歐姆姆以以上上靜靜電電影影響響不不受受靜靜電電影影響

15、響易易受受靜靜電電影影響響集集成成工工藝藝不不易易大大規(guī)規(guī)模模集集成成適適宜宜大大、超超大大規(guī)規(guī)模模集集成成雙極型和場效應型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較( (續(xù)續(xù)) )4.4場效應管靜態(tài)工作點的設置方法場效應管靜態(tài)工作點的設置方法 根據場效應管工作在恒流區(qū)的條件，在根據場效應管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間間加極性合適的電源加極性合適的電源dDQDDDSQ2GS(th)GGDSSDQGGGSQ) 1(RIVUUVIIVU1. 基本共源放大電路2. 自給偏壓電路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ，2GS(off)GSQDSSDQ)1 (UUII)(sdD

16、QDDDSQRRIVU由正電源獲得負偏壓由正電源獲得負偏壓稱為自給偏壓稱為自給偏壓3. 分壓式偏置電路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU2GS(th)GSQDODQ) 1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU為什么加為什么加Rg3?其數(shù)值應大些小些？其數(shù)值應大些小些？即典型的即典型的Q點穩(wěn)定電路點穩(wěn)定電路場效應管放大電路的動態(tài)分析DSGSDmUuig近似分析時可認近似分析時可認為其為無窮大！為其為無窮大！根據根據iD的表達式或轉移特性可求得的表達式或轉移特性可求得gm。與晶體管的與晶體管的h參數(shù)等效模型類比：參數(shù)等效模型類比：1. 場效應管的交流等效模型2. 基本共源放大

17、電路的動態(tài)分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu若若Rd=3k， Rg=5k， gm=2mS，則，則與共射電路比較。與共射電路比較。?uA3. 基本共漏放大電路的動態(tài)分析ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu若Rs=3k，gm=2mS，則?uA基本共漏放大電路輸出電阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR若Rs=3k，gm=2mS，則Ro=?（三）（三） 共柵組態(tài)基本放大器共柵組態(tài)基本放大器其等效電路如圖其等效電路如圖:共柵放大器電路如圖共柵放大器電路如圖:與共基放大器類似與共基放大器類似:輸入阻抗低輸入阻抗低輸出阻抗高輸出阻抗高電壓增益高電壓增益高-+

18、-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24. 共柵放大器共柵放大器典型電路典型電路電壓增益為電壓增益為:dsDDdsmiDdioUrRRrgURIUUA1)1(式中式中:RD=RD / RL共柵放大器共柵放大器等效等效電路電路(電流源電流源)共柵放大器共柵放大器等效等效電路電路(電壓源電壓源):DmUDdsRgARr則時當)1 (DdsdsmidRrrgUIri= Rs / ri輸入電阻為輸入電阻為:- gm rds Uirds +-Uo+GUiRDRsSDId +-3-22.共柵放大器共柵放大器等效等效電路電路(電壓源電壓源)ririri= Ui / Id 1/ gm當當rds RD , g

19、m rds 1時：時：所以：所以：ri Rs / （1/ gm）輸出電阻為輸出電阻為:ro RD / rds RDro( (四四) )三種接法基本放大電路的比較三種接法基本放大電路的比較三種基本放大電路的比較如下三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應關系組態(tài)對應關系 CE / CB / CCCE / CB / CC CS / CG / CDCS / CG / CDieLULieLUieLU +=CB1 )1 ( =CC -=CEhRhARhhRhAhRhAfefefefe：DmUsmsmUsmDmU+=CG1 1 =CD 1 =CSRgARgRgARgRgA：電壓增益電壓增益三種基本放大電路的比較

20、如下三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應關系組態(tài)對應關系 CE / CB / CCCE / CB / CC CS / CG / CDCS / CG / CD輸入電阻輸入電阻Ri )+/1/( CB: CC:CE:ieehfehRCS：RGCD：RGCG：Rs/(1/gm)ieb/hR )1 (/LiebRhhRfe三種基本放大電路的比較如下三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應關系組態(tài)對應關系 CE / CB / CCCE / CB / CC CS / CG / CDCS / CG / CD輸出電阻輸出電阻Ro cfes/bieec CB)1+/( CCCERhRRhRR：CS：rds / RDCD：Rs/(1/gm)CG：RD表表3-3 FET 3-3 FET 三種組態(tài)性能比較三種組態(tài)性能比較參參數(shù)數(shù)組組態(tài)態(tài)AUSriro共共源源（有有 Cs）高高(-15)高高(5M )較較高高(9