第4章 場效應管及其基本放大電路

第4章場效應管及其基本放大電路4.1引言4.2場效應管4.3場效應管基本放大電路1.場效應管是如何通過柵源電壓控制漏極電流的？2.場效應管的輸出特性曲線和轉移特性曲線與雙極型晶體管有何異同？3.場效應管基本放大電路的靜動態(tài)性能指標與雙極型晶體管基本放大電路有何異同？4.場效應管基本放大電路的頻率特性與雙極型晶體管基本放大電路有何異同？4.1引言4.2場效應管場效應管：一種載流子參與導電，利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的三極管，又稱單極型三極管。場效應管分類結型場效應管絕緣柵場效應管特點單極型器件(一種載流子導電)；輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。

N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應管分類：4.2.1絕緣柵型場效應管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應管，或簡稱MOS場效應管。特點：輸入電阻可達1010以上。類型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型UGS=0時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管；UGS=0時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。一、N溝道增強型MOSFET1.結構P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極GN溝道增強型MOSFET的結構示意圖SGDB2.工作原理絕緣柵場效應管利用UGS來控制“感應電荷”的多少，改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。(1)柵源電壓UGS對漏極電流iD的控制作用漏源之間相當于兩個背靠背的PN結，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導電。SBDUDS=0，0<UGS<UGS(th)P型襯底N+N+BGSD柵極金屬層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2一側的空穴，形成由負離子組成的耗盡層。增大UGS耗盡層變寬。VGG---------UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會在耗盡層和SiO2之間形成可移動的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因為UDS=0，所以ID=0。UGS(th)或UT為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓。(2)漏源電壓UDS對漏極電流iD的影響(UGS>UT)導電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流ID。UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現(xiàn)預夾斷。UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時，導電溝道兩端電壓基本不變，iD因而基本不變。UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)UDS對導電溝道的影響(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT時，對應于不同的uGS就有一個確定的iD。此時，可以把iD近似看成是uGS控制的電流源。3.特性曲線與電流方程(2)轉移特性UGS<UT，iD=0；UGS

≥

UT，形成導電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當UGS>UT時)UT2UTIDOuGS/ViD/mAO(1)輸出特性三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。iD/mAuDS/VO預夾斷軌跡恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)UGS增加二、N溝道耗盡型MOSFETP型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在P型襯底中“感應”負電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會形成N型導電溝道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS<0，絕緣層中正離子感應的負電荷減少，導電溝道變窄，iD減??；UGS=

UP,感應電荷被“耗盡”，iD

0。UP或UGS(off)稱為夾斷電壓N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS正、負、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)轉移特性IDSS耗盡型MOS管的符號SGDB(b)輸出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N溝道耗盡型MOSFET三、P溝道增強型和耗盡型MOSFETP溝道增強型MOS管的開啟電壓UGS(th)<0當UGS<UGS(th)

，漏-源之間應加負電源電壓管子才導通,空穴導電。P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓UGS(off)＞0UGS

可在正、負值的一定范圍內實現(xiàn)對iD的控制，漏-源之間應加負電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道DSGN符號4.2.2結型場效應管JunctionFieldEffectTransistor1.結構N溝道結型場效應管結構圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結)在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導體中多數(shù)載流子電子可以導電。導電溝道是N型的，稱N溝道結型場效應管。P溝道場效應管P溝道結型場效應管結構圖N+N+P型溝道GSDP溝道場效應管是在P型硅棒的兩側做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號GDS2.工作原理

N溝道結型場效應管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的。(VCCS)GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。（1）柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時，耗盡層比較窄，導電溝比較寬UGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導電溝相應變窄。當UGS=UGS（Off)，耗盡層合攏，導電溝被夾斷.ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)為夾斷電壓,為負值。UGS(off)也可用UP表示uGS=0，uGD>UGS（Off)，iD較大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

uGS<0，uGD>UGS（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：當uDS>0時，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDS

（2）漏源電壓uDS對漏極電流iD的控制作用GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,溝道變窄預夾斷uGS<0,uGD<uGS(off),夾斷，iD幾乎不變GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改變uGS，改變了PN結中電場，控制了iD，故稱場效應管；(2)結型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應管輸入電阻很高。(c)(d)當uGD<uGS(off),時，,uGS對漏極電流iD的控制作用場效應管用低頻跨導gm的大小描述柵源電壓對漏極電流的控制作用。場效應管為電壓控制元件(VCCS)。在uGD＝uGS－uDS<uGS(off),當uDS為一常量時，對應于確定的uGS，就有確定的iD。gm=iD/uGS(單位mS)小結(1)在uGD＝uGS－uDS>uGS(off)情況下,即當uDS<uGS-uGS(off)

對應于不同的uGS，d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當uDS使uGD＝uGS(off)時，d-s之間預夾斷(3)當uDS使uGD<uGS(off)時，iD幾乎僅僅決定于uGS，而與uDS無關。此時，可以把iD近似看成uGS控制的電流源。3.特性曲線轉移特性(N溝道結型場效應管為例)O

uGSiDIDSSUGS(off)轉移特性uGS=0，iD最大；uGS愈負，iD愈??；uGS=UGS(off)

，iD0。兩個重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時的ID)夾斷電壓UGS(off)

(ID=0時的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲線測試電路+mA轉移特性OuGS/VID/mAIDSSUP轉移特性輸出特性曲線當柵源之間的電壓UGS不變時，漏極電流iD與漏源之間電壓uDS的關系，即結型場效應管轉移特性曲線的近似公式：≤≤IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預夾斷軌跡恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性也有三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)。漏極特性輸出特性（漏極特性）曲線夾斷區(qū)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲線測試電路+mA擊穿區(qū)種類符號轉移特性曲線輸出特性曲線

結型N溝道耗盡型

結型P溝道耗盡型

絕緣柵型N溝道增強型SGDSGDiDUGS=0V+uDS++oSGDBuGSiDOUT各類場效應管的符號和特性曲線+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0V---uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO種類符號轉移特性曲線輸出特性曲線絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+4.2.3場效應管的主要參數(shù)和型號1.直流參數(shù)（3）飽和漏極電流IDSS（2）夾斷電壓UP或UGS(off)（1）開啟電壓UT

或UGS(th)（4）直流輸入電阻RGS為耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。為增強型場效應管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。輸入電阻很高。結型場效應管一般在107以上，絕緣柵場效應管更高，一般大于109。2.交流參數(shù)（1）低頻跨導gm（2）極間電容用以描述柵源之間的電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。單位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西門子(mS)這是場效應管三個電極之間的等效電容，包括Cgs、Cgd、Cds。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。3.極限參數(shù)（3）漏極最大允許耗散功率PDM（2）漏源擊穿電壓U(BR)DS柵源擊穿電壓U(BR)GS由場效應管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉化為熱能使管子的溫度升高。當漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。場效應管工作時，柵源間PN結處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。（1）最大漏極電流IDM4.型號晶體管場效應管結構NPN型、PNP型結型耗盡型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有的型號可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子運動輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)4.2.4雙極型晶體管和場效應管的比較噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點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)模集成晶體管場效應管場效應管1.分類按導電溝道分N溝道P溝道按結構分絕緣柵型(MOS)結型按特性分增強型耗盡型uGS=0時，iD

=0uGS=0時，iD

0增強型耗盡型(耗盡型)2.特點柵源電壓改變溝道寬度從而控制漏極電流輸入電阻高，工藝簡單，易集成由于FET無柵極電流，故采用轉移特性和輸出特性描述3.特性不同類型FET的特性比較參見圖1.4.13第43-44頁。不同類型FET轉移特性比較結型N溝道uGS/ViD/mAO增強型耗盡型MOS管(耗盡型)IDSS開啟電壓UGS(th)夾斷電壓UGS(off)IDO

是uGS=2UGS(th)時的iD值4.3場效應管基本放大電路場效應管是電壓控制電流元件，具有高輸入阻抗。場效應管放大電路的三種接法（以N溝道結型場效應管為例）場效應管放大電路的三種接法（a）共源電路（b）共漏電路（c）共柵電路基本共源放大電路VDD+uOiDT~+uIVGGRGSDGRD與雙極型三極管對應關系bG,eS,cD為了使場效應管工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用，應滿足：N溝道增強型MOS場效應管組成的放大電路。(UT：開啟電壓)4.3.1場效應管共源基本放大電路1.分壓式偏置電路分壓式偏置電路+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++(一)Q點近似估算法根據(jù)輸入回路列方程解聯(lián)立方程求出UGSQ和IDQ。列輸出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDSS(RD+RS)將IDQ代入，求出UDSQ一、靜態(tài)分析－－UGSQ、IDQ、UDSQQ點：UGSQ、IDQ、UDSQUGSQ=UDSQ=已知UP或UGS（Off)

VDD-IDQ(Rd+R)-IDQR可解出Q點的UGSQ、IDQ、UDSQ2.自給偏壓電路JFET自給偏壓共源電路IDQMOS管的低頻小信號等效模型由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。++——gdSsgd二、動態(tài)分析1.場效應管的微變等效電路微變參數(shù)gm和rDS用求導的方法計算gm在Q點附近，可用IDQ表示上式中iD，則一般gm約為0.1至20mS。rDS為幾百千歐的數(shù)量級。當RD比rDS小得多時，可認為等效電路的rDS開路。2.動態(tài)分析VDD+u