第五章 場效應(yīng)管放大電路

5場效應(yīng)管放大電路.金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管.結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）*砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管.各種放大器件電路性能比較.場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)管:是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。

參與導(dǎo)電的載流子來劃分:電子作為載流子的N溝道器件空穴作為載流子的P溝道器件P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強型N溝道N溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在增強型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道場效應(yīng)管的分類：場效應(yīng)管的特點：1.單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、

體積小、成本低2.輸入電阻高

(1071015，MOS可高達(dá)1015)5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET管)

絕緣柵型場效應(yīng)管IGFET又稱金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET):是一種利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109。耗盡型：

存在導(dǎo)電溝道，增強型：

沒有導(dǎo)電溝道，1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極G—柵極D—漏極SGDB一、增強型N溝道MOSFET箭頭表示由P指向N結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L2.工作原理1)VGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(VDS=0)a.

當(dāng)VGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結(jié)；VGS=0，ID=0b.

當(dāng)0<VGS<VGS(th)(開啟電壓VT)時，GB間的垂直電場吸引P區(qū)中電子排斥空穴形成耗盡層；IDc.

當(dāng)VGS

VT

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導(dǎo)電溝道。VGS

越大溝道越寬。在漏源電壓VDS作用下,有漏極電流ID產(chǎn)生.VGS越大，導(dǎo)電溝道越寬，iD越大。VGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(動畫)2)

VDS

對

iD的影響(VGS>VT)（a）如果VGS＞VT且固定為某一值，VGD=VGS－VDSVDS為0或較小時，VGD=VGS－VDS

＞VT，溝道分布如圖，此時VDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時，ID隨VDS增大。AVDSID（b）當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。VDSID不變（c）當(dāng)VDS增加到使VGDVT時，溝道如圖所示。此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，向S極延伸。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變VDS

對

iD的影響

(動畫)3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個受vGS控制的可變電阻n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時的iDV-I特性：（2）轉(zhuǎn)移特性二N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流2.V-I特性曲線及大信號特性方程

（N溝道增強型）夾斷電壓飽和漏極電流三P溝道MOSFET四溝道長度調(diào)制效應(yīng)實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L為溝道長度，單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，＝0，曲線是平坦的。

修正后

溝道長度調(diào)制參數(shù)五MOSFET的主要參數(shù)直流參數(shù)NMOS增強型1.開啟電壓VT

（增強型參數(shù)）2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，＝0，rds→∞

2.低頻互導(dǎo)gm

考慮到則其中轉(zhuǎn)移特性曲線斜率極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P

溝道§5.2結(jié)型場效應(yīng)管JFET一.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)與符號N溝道JFETP溝道JFET載流子通過漏源兩極的路徑,為導(dǎo)電溝道柵結(jié)正偏時,柵極電流由PNVGS控制導(dǎo)電溝道的寬窄，即控制ID的大小。2.工作原理（以N溝道JFET為例）①VGS對iD的控制作用(a)VGS＜0,VDS=0

當(dāng)VGS＜0時，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，VGS更負(fù)，溝道更窄,溝道電阻更大；直至溝道被夾斷。這時所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。(ｂ)VP

＜

VGS＜0,VDS＞0|VGS|溝道電阻ID對于N溝道的JFET，VP<0VDS>0,|VGS-VDS|<|VP|

，時②漏源電壓VDS對iD的影響VDSID(b)VGD=VGS-VDS=VP導(dǎo)電溝道溝道被夾斷,此時稱為預(yù)夾斷。產(chǎn)生阻礙ID提高的因素。VGS=0時，產(chǎn)生夾斷時的ID稱為漏極飽和電流IDSS

(C)當(dāng)VDS繼續(xù)增加時,預(yù)夾斷點向源極方向伸長,由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強電場力能將載流子電子拉過夾斷區(qū)，形成漏極電流,ID趨于飽和。(a)VDS增加綜上分析可知

溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？二.JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性飽和區(qū)：2.轉(zhuǎn)移特性IDSSVP與MOSFET類似3.主要參數(shù)結(jié)型場效應(yīng)管的特性小結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型結(jié)型(耗盡型)N溝道P溝道絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道C與E一般不可倒置使用D與S可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成5.3場效應(yīng)管放大電路一.偏置電路及靜態(tài)分析1.直流偏置電路1)自偏壓電路(僅適合耗盡型)Rg將0電位引向g點,VGS=0時,有偏電流流過VGS=-IDRS2)分壓式電路(全適用)VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDR調(diào)整電阻的大小，可獲得：UGS>0UGS=0UGS<0（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路2.靜態(tài)工作點的確立(VGS,ID,VDS)（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗證是否滿足如果不滿足，則說明假設(shè)錯誤須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗證是否滿足二圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同三.FET放大電路小信號分析法1.FET的小信號模型低頻模型2.用小信號分析FET放大電路三極管與場效應(yīng)管三種組態(tài)對照表：①電壓放大倍數(shù)(無CS時)②輸入電阻

③輸出電阻1)共源極放大電路RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsidii有CS時:解：例5.2.2的直流分析已求得：（例5.2.5）s放大電路分析s2)共漏極放大電路Vs=0TIT放大電路分析共漏例5.2.63)共柵極放大電路+Vi_+Vo_RRdvDDgs+Vi_+Vo_RRdgsddRo≈Rd動態(tài)分析：Ri=Rg=10MRi2=rbe2+(1+)Re1=37.1kRi3=rbe3+(1+)Re3//RL=156k+vi-Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-例:多級放大電路*5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管本節(jié)不做教學(xué)要求，有興趣者自學(xué)5.5各種放大器件電路性能比較場效應(yīng)管放大電路與三極管放大電路比較1、共源電路與共射電路均有電壓放大作用，而且輸出電壓與輸入電壓相位相反。2、共漏電路與共集電路均沒有電壓放大作用，且輸出電壓與輸入電壓同相位。3、場效應(yīng)管電路最突出的優(yōu)點是，共源、共漏和共柵電路的輸入電阻高于相應(yīng)的共射、共集和共基電路的輸入電阻。4、場效應(yīng)管的低頻跨導(dǎo)一般比