第3章 場(chǎng)效應(yīng)晶體管和基本放大電路

第3章場(chǎng)效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路第3章場(chǎng)效應(yīng)晶體管和基本放大電路作業(yè)思考：3-1習(xí)題：3-3、3-4、3-7本章的重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn):理解場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理；掌握?qǐng)鲂?yīng)管的外特性及主要參數(shù)；掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)與動(dòng)態(tài)參數(shù)（Au、Ri、Ro）的分析方法。難點(diǎn):通過(guò)外部電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用說(shuō)明結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。

分類：結(jié)型(JFET)

絕緣柵型(IGFET)

場(chǎng)效應(yīng)管輸入回路內(nèi)阻很高(107~1015)，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(chǎng)效應(yīng)管（FET）：是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管雙極型三極管電流控制IEIBICVCCVBBRCRBIBIENICNcebICBOIEP

既有多數(shù)載流子導(dǎo)電，又有少數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱雙極型晶體管。

電流控制型器件。晶體管的三個(gè)工作區(qū)

截止區(qū)：IB=0以下的區(qū)域。飽和區(qū)IC

/mAUCE

/V0IB=

0μA20μA40μA60μA80μA放大區(qū)截止區(qū)

放大區(qū)特點(diǎn)：ＩC=

IB

曲線幾乎水平,ＩC與UCE無(wú)關(guān)，僅僅由IB決定。

飽和區(qū)特點(diǎn)：

ＩC

IB。IC不受IB的控制，IC隨UCE增加而增加,。3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個(gè)高摻雜的P區(qū)。N溝道結(jié)構(gòu)示意圖SiO2N源極S柵極G漏極D

NNP＋P＋1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

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。2.工作原理－－電壓控制作用d耗盡層

若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，便實(shí)現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)控制導(dǎo)電溝道中電流強(qiáng)弱的目的。

在N型硅材料兩端加上一定極性的電壓，多子在電場(chǎng)力的作用下形成電流ID。sgP＋N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖P＋

這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實(shí)現(xiàn)了UGS對(duì)溝道電流ID的控制。2.工作原理－－電壓控制作用正常工作時(shí)：

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）d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖P+1)當(dāng)UDS=0時(shí)，UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制

當(dāng)UGS=0時(shí)，耗盡層很窄,導(dǎo)電溝道寬。

隨|UGS|增大，耗盡層增寬，溝道變窄，電阻增大。

|UGS|增加到某一數(shù)值,耗盡層閉和,溝道消失,溝道電阻趨于無(wú)窮大。1)當(dāng)UDS=0時(shí)，UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制由于PN結(jié)反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。

|UGS|增加到某一數(shù)值，耗盡層閉合，溝道消失，溝道電阻趨于無(wú)窮大。定義此時(shí)UGS的值為夾斷電壓UGS（off）

UDSdsgID

當(dāng)UDS

=0時(shí)，雖有導(dǎo)電溝道，但I(xiàn)D為零。當(dāng)UDS0時(shí)，產(chǎn)生ID，隨著UDS增加，ID增加。2）g、s間短路，d、s間加正向電壓UDSdsgAID

隨著UDS增加，當(dāng)UGD=UGS－

UDS=

UGS（off）時(shí),靠近漏極出現(xiàn)夾斷點(diǎn)。稱UGD=UGS（off）為預(yù)夾斷。此時(shí)的ID稱為“飽和漏極電流IDSS”。2）g、s間短路，d、s間加正向電壓UDS再增加，夾斷區(qū)下移，仍然存在電流ID，并且大小基本保持不變。2）g、s間短路，d、s間加正向電壓dsgUDSUGSID為什么還有電流ID？

盡管UDS增加，由于溝道兩端電壓基本不變，而且面積基本不變，因此電流ID基本保持不變。

出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)A點(diǎn)的電壓UGA=

UGS（off），D極和A點(diǎn)之間存在電位差UGD－

UGA（>0），載流子通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)被D極吸收，形成電流ID

。2）g、s間短路，d、s間加正向電壓dsgUDSUGSIDA

進(jìn)入預(yù)夾斷后，當(dāng)UGS一定時(shí)，ID表現(xiàn)出恒流特性。此時(shí)可以把ID近似看成UGS控制的電流源。dsgUDSUGSID

稱場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件。2）g、s間短路，d、s間加正向電壓1）UGD>UGS（off）時(shí)（未出現(xiàn)夾斷前），對(duì)于不同的UGS，漏源之間等效成不同阻值的電阻，ID隨UDS的增加線性增加。（對(duì)應(yīng)可變電組區(qū)）2）UGD=UGS（off）時(shí)，漏源之間預(yù)夾斷。3）UGD<UGS（off）時(shí)，

ID幾乎只決定于UGS，而與UDS

無(wú)關(guān)，可以把ID近似看成UGS控制的電流源。（對(duì)應(yīng)恒流區(qū)，即放大區(qū)）通過(guò)以上分析有：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道符號(hào)dsgdsgP溝道符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種類型。

3.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性（輸出特性和轉(zhuǎn)移特性）ID=f(UDS)UGS=常數(shù)（1）輸出特性曲線（因場(chǎng)效應(yīng)管柵極電流幾乎為零，不討論輸入特性。）場(chǎng)效應(yīng)管工作區(qū)域：IDUDS可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）恒流區(qū)（電流飽和區(qū)、放大區(qū)）夾斷區(qū)（截止區(qū)）擊穿區(qū)（電流突然增大）

（預(yù)夾斷軌跡：通過(guò)連接各曲線上UGD=UGS（off）的點(diǎn)而成。）

條件：UGD>UGS（off）。

特點(diǎn)：可通過(guò)改變UGS來(lái)改變漏源間電阻值。1）可變電阻區(qū)

IDUDS條件：UGD<UGS（off）特點(diǎn)：ID只受UGS控制。2）恒流區(qū)ID為UGS控制的電流源。IDUDS

導(dǎo)電溝道全部夾斷。條件：｜UGS｜

UGS（off）

特點(diǎn)：ID04）擊穿區(qū)

UDS增加到一定程度，電流急劇增大。3）夾斷區(qū)（截止區(qū)）IDUDS(2)轉(zhuǎn)移特性曲線ID=f(uGS)UDS=常數(shù)30–1–2–3

UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12IDSSUGS=0時(shí)產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流N溝結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，柵源之間加反向電壓。

P溝結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，柵源之間加正向電壓。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(duì)應(yīng)關(guān)系–443.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管)柵-源電壓為零時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道的管子稱為增強(qiáng)型。柵-源電壓為零時(shí)已建立導(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(chǎng)效應(yīng)管采用sio2絕緣層隔離（輸入電阻更大），柵極為金屬鋁，又稱為MOS管。1.N溝道增強(qiáng)型MOS管

通常襯底和源極連接在一起使用。（1）結(jié)構(gòu)

柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板，中間是絕緣層，形成電容。

柵-源電壓改變時(shí)，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BSiO2N+N+DBSGN溝道符號(hào)DBSGP溝道符號(hào)增強(qiáng)型MOS管符號(hào)（2）工作原理1）UGS

=0時(shí)：P襯底BN+SGDD與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無(wú)論D與S之間加什么極性的電壓，ID=0。N+（2）工作原理P耗盡層襯底BN+N+SGD2）UGS

>0UDS

=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，形成耗盡層。3）UGS繼續(xù)增加，UDS

=0：

使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓UGS(th)

。（2）工作原理

耗盡層增寬,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(gè)反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。P襯底BN+N+SGD反型層

UGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。

將產(chǎn)生一定的漏極電流ID

。

ID隨著的UDS增加而線性增大。P襯底BN+N+SGD4）UGS>UGS(th)

，UDS>0：（2）工作原理

此時(shí)導(dǎo)電溝道的寬度不再處處相等。

為什么？G極和導(dǎo)電溝道各點(diǎn)的電壓不再處處相等。5）UGS

>UGS(th),UGD

=UGS(th)

：（2）工作原理

隨著UDS的增大，UGD減小，當(dāng)UDS增大到UGD=UGS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預(yù)夾斷。

此時(shí)繼續(xù)增加UDS，夾斷區(qū)會(huì)繼續(xù)左移。但仍然有ID。為什么？

P襯底BN+N+SGD

如果沒有ID，溝道處處相等。但顯然不滿足。

5）UGS

>UGS(th),UGD

>UGS(th)

：P襯底BN+N+SGD（2）工作原理

此時(shí)溝道兩端電壓保持不變，因此漏電流ID幾乎不變化，管子進(jìn)入恒流區(qū)。

漏級(jí)D和夾斷點(diǎn)A的電壓差：

UGD

－UGS(th)

（>0）產(chǎn)生電場(chǎng)，吸引電子，因此仍然存在電流ID

。AP襯底BN+N+SGD（2）工作原理ID幾乎僅僅決定于UGS。此時(shí)可以把ID近似看成UGS控制的電流源。恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)（3）特性曲線4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS

/VUGs(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(shí)的ID。UDS=10V0123246UGS

/VUGs(th)ID/mAIDO（3）特性曲線

制造時(shí),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(huì)產(chǎn)生ID。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(1)結(jié)構(gòu)

只有當(dāng)UGS小于某一值時(shí)，才會(huì)使導(dǎo)電溝道消失，此時(shí)的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)

。dN溝道符號(hào)BsgP溝道符號(hào)dBsgMOS管符號(hào)DBSGN溝道符號(hào)DBSGP溝道符號(hào)耗盡型MOS管符號(hào)增強(qiáng)型MOS管符號(hào)N溝道耗盡型MOS管的特性曲線（2）特性曲線432104812UGS

=1V–2V–3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性1230V–1012–1–2–3UGS/VIDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mANMOS耗盡型PMOS耗盡型（自學(xué)）場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性NMOS增強(qiáng)型PMOS增強(qiáng)型（自學(xué)）場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性P溝道結(jié)型（自學(xué)）N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性N溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷類型夾斷區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ugs<Ugs（off）（Ugs（off）<0）Ugs>Ugs（off）Ugd<Ugs（off）Ugs>Ugs（off）Ugd>Ugs（off）增強(qiáng)型MOS管Ugs<Ugs（th）（Ugs（th）>0）Ugs>Ugs（th）Ugd<Ugs（th）Ugs>Ugs（th）Ugd>Ugs（th）耗盡型MOS管Ugs<Ugs（off）（Ugs（off）<0）Ugs>Ugs（off）Ugd<Ugs（off）Ugs>Ugs（off）Ugd>Ugs（off）P溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷類型夾斷區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ugs>Ugs（off）（Ugs（off）>0）Ugs<Ugs（off）Ugd>Ugs（off）Ugs<Ugs（off）Ugd<Ugs（off）增強(qiáng)型MOS管Ugs>Ugs（th）（Ugs（th）<0）Ugs<Ugs（th）Ugd>Ugs（th）Ugs<Ugs（th）Ugd<Ugs（th）耗盡型MOS管Ugs>Ugs（off）（Ugs（off）>0）Ugs<Ugs（off）Ugd>Ugs（off）Ugs<Ugs（off）Ugd<Ugs（off）

例：測(cè)得某放大電路中三個(gè)MOS管的三個(gè)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)（截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號(hào)UGS(th)/VUS/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513T2-43310T3-4605恒流區(qū)截止區(qū)可變電阻區(qū)

例：測(cè)得某放大電路中三個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極的電位及它們的夾斷電壓如表所示。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(hào)UGS(off)/VUS/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T1-45-15T2-45310T3-4203夾斷區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)3.1.3場(chǎng)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(shí)所需的柵-源電壓。是結(jié)型場(chǎng)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(duì)于耗盡型MOS管,在UGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。1.直流參數(shù)dN溝道符號(hào)BsgP溝道符號(hào)dBsg2.交流參數(shù)gm=iD

/

uGSUDS=常數(shù)

gm是衡量柵-源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)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(shí)，漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵-源電壓的微變量之比稱為低頻跨導(dǎo),即2.交流參數(shù)（2）交流輸出電阻rds

rds反映了UDS對(duì)ID的影響，是輸出特性曲線上Q點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)．rds在恒流區(qū)很大。3.極限參數(shù)（見第五章）(1)最大漏極電流IDM

管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。(2)最大漏源電壓UDS(BR)

管子進(jìn)入恒流區(qū)后，使漏極電流驟然增加的UDS稱為漏-源擊穿電壓。(管子的極限參數(shù)，使用時(shí)不可超過(guò)。)(3)最大柵源電壓UGS(BR)

對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，使柵極與溝道間反向擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，使絕緣柵層擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。(4)最大耗散功率PDMPDM決定于管子允許的溫升。3.極限參數(shù)（見第五章）1、場(chǎng)效應(yīng)管利用柵源電壓控制漏極電流，是電壓控制元件，柵極基本不取電流（很小），輸入回路電阻很大；晶體管利用基極電流控制集電極電流，是電流控制元件，基極索取一定電流，輸入阻抗較小。

場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d對(duì)應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c，能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的控制。3.1.4場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的

比較2.晶體管的放大倍數(shù)通常比場(chǎng)效應(yīng)管大。3.場(chǎng)效應(yīng)管只有多子導(dǎo)電，而晶體管多子和少子均參與導(dǎo)電，場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。4.場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管噪聲系數(shù)小。5.場(chǎng)效應(yīng)管源極、漏極可以互換使用，互換后特性變化不大；而晶體管的發(fā)射極和集電極互換后特性差異很大,一般不能互換使用。3.1.4場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的

比較6.場(chǎng)效應(yīng)管的種類比晶體管多，特別對(duì)于耗盡型MOS管，柵-源控制電壓可正可負(fù)，均能控制漏極電流。7.MOS管的柵極絕緣，外界感應(yīng)電荷不易泄放。8.場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開關(guān)電路，但場(chǎng)效應(yīng)管具有集成工藝簡(jiǎn)單，工作電源電壓范圍寬，耗電省、低功耗等特點(diǎn)，目前越來(lái)越多的應(yīng)用于集成電路中。3.1.4場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的

比較場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制

當(dāng)UGS控制導(dǎo)電溝道寬。沒有導(dǎo)電溝道為夾斷區(qū)，出現(xiàn)導(dǎo)電溝道后，判斷可變電阻和恒流區(qū)。

UDS

控制電流ID的大小。當(dāng)D極出現(xiàn)預(yù)夾斷后，脫離可變電阻區(qū)進(jìn)入恒流區(qū)。UDSdsgID3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路與晶體管電路的比較1.相同之處2.不同之處能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的控制；三種組態(tài)相對(duì)應(yīng)