模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué)出版第3章 場(chǎng)效應(yīng)管

3場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路

3.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)FET(FieldEffectTransistor)，其主要特點(diǎn)：(a)

輸入電阻高，可達(dá)107~1015W。(b)

起導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子，又稱(chēng)為單極型晶體管。(c)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)。(d)

噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單。(e)

在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

3.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1.2JFET的特性曲線

3.1.3JFET的主要電參數(shù)

3.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)構(gòu)

圖示為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)中的箭頭，表示由P區(qū)指向N區(qū)。2、工作原理（1）當(dāng)柵源電壓uGS=0時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層比較窄，中間的N型導(dǎo)電溝道比較寬，溝道電阻小，如圖所示。（2）當(dāng)uGS<0時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)的耗盡層變寬，中間的N型導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，溝道導(dǎo)通電阻增大，如圖所示。

uGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓uGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off)。對(duì)于N溝道的JFET，

UGS(off)<0。（3）當(dāng)UGS(off)

<uGS≤0且uDS>0時(shí)，可產(chǎn)生漏極電流iD。iD的大小將隨柵源電壓uGS的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

uDS的存在，使得漏極附近的電位高，而源極附近的電位低，即沿N型導(dǎo)電溝道從漏極到源極形成一定的電位梯度，這樣靠近漏極附近的PN結(jié)所加的反向偏置電壓大，耗盡層寬；靠近源極附近的PN結(jié)反偏電壓小，耗盡層窄，導(dǎo)電溝道成為一個(gè)楔形，如圖所示。

當(dāng)uDS增加到使uGD=UGS(off)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)uDS

夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻iD基本不變綜上所述，可得下述結(jié)論：（1）JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此其iG

約等于零，輸入電阻的阻值很高；（2）JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制；（3）預(yù)夾斷前，iD與uDS呈近似線性關(guān)系，預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。3.1.2JFET的特性曲線1.輸出特性

圖示即為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線，它與NPN型三極管的輸出特性曲線相似，可以分為四個(gè)區(qū).可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)各區(qū)的特點(diǎn)：（1）截止區(qū)（夾斷區(qū)）：當(dāng)uGS<

UGS(off)

時(shí)，導(dǎo)電溝道被夾斷，iD=0稱(chēng)為截止區(qū)。

（2）可變電阻區(qū)：又稱(chēng)非飽和區(qū)，是預(yù)夾斷前的區(qū)域。此時(shí)溝道尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷，管子可以看作是一個(gè)由電壓控制的可變電阻。圖中左邊的一條虛線為預(yù)夾斷軌跡。當(dāng)，時(shí)，則N溝道JFET工作在可變電阻區(qū)，其伏安特性可表示為其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。（3）恒流區(qū)：又稱(chēng)飽和區(qū)或放大區(qū)，是預(yù)夾斷后的區(qū)域，管子漏極電流iD幾乎不隨uDS變化，主要由uGS決定。在此區(qū)域，場(chǎng)效應(yīng)管可以看作一個(gè)恒流源。利用場(chǎng)效應(yīng)管做放大管時(shí)，管子在此區(qū)域工作。

當(dāng)，時(shí)，JFET工作在飽和區(qū)，此時(shí)（4）擊穿區(qū)：當(dāng)uDS增大到一定程度時(shí)，柵漏極間PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD迅速增大。如果不加限制，管子將會(huì)電擊穿。管子不允許在此區(qū)域工作。

2.轉(zhuǎn)移特性

轉(zhuǎn)移特性反映了場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。當(dāng)uGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道電阻最小，iD最大，稱(chēng)此電流為場(chǎng)效應(yīng)管的飽和漏極電流IDSS。當(dāng)uGS=UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，溝道電阻最大，此時(shí)iD=0，稱(chēng)UGS(off)為夾斷電壓。1.直流參數(shù)

(1)夾斷電壓UGS(off)

(2)零偏漏極電流IDSS

(3)直流輸入電阻RGS

2.交流參數(shù)

(1)跨導(dǎo)gm

(2)極間電容

3.1.3JFET的主要電參數(shù)

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（Metal）、氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）材料構(gòu)成的，因此又叫MOS管，可以用MOSFET表示。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，每一種又包括N溝道和P溝道兩種類(lèi)型。

增強(qiáng)型和耗盡型的區(qū)別是：當(dāng)uGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為耗盡型，不存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為增強(qiáng)型。

3.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOS管1.結(jié)構(gòu)與符號(hào)符號(hào)中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指向N區(qū)（N溝道），虛線表示增強(qiáng)型。

2.N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

（1）uGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)uGS≤0時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道，

d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0<uGS

<UT時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)uGS

>UT時(shí)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。

uGS越大，導(dǎo)電溝道越厚UT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓（2）uDS對(duì)iD的影響

iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)

uGD＝UT,預(yù)夾斷

iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來(lái)克服夾斷區(qū)的電阻3.伏安特性曲線及大信號(hào)特性方程

MOSFET的輸出特性是指在柵源電壓uGS一定的條件下，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系，即

該輸出特性曲線與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似，MOSFET有三個(gè)工作區(qū)域：可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。（1）截止區(qū)：當(dāng)uGS＜UT時(shí)，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)：當(dāng)uDS≤（uGS－UT）時(shí)，

其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。（3）飽和區(qū)（又稱(chēng)恒流區(qū)或放大區(qū)）：當(dāng)uGS>UT且uDS≥（uGS－UT）時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)

由于飽和區(qū)內(nèi)，iD受uDS的影響很小，因此在飽和區(qū)內(nèi)不同uDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。其主要特點(diǎn)為：（1）當(dāng)uGS

<UT

時(shí)，iD=0。（2）當(dāng)uGS>UT時(shí)，iD>0，uGS越大，iD也隨之增大，兩者符合平方律的關(guān)系。（1）結(jié)構(gòu)、符號(hào)與工作原理3.2.2N溝道耗盡型MOS管耗盡型在uGS

=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。因?yàn)橹圃爝^(guò)程中，在柵極下面的SiO2絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子(如Na++或K++)，這些正離子的作用如同加正的柵源電壓并使uGS>UT時(shí)相似，能在P型襯底表面產(chǎn)生垂直于襯底的自建電場(chǎng)，排斥空穴，吸引電子，從而形成表面導(dǎo)電溝道。

由于uGS=0時(shí)就存在原始溝道，所以只要此時(shí)uDS>0，就有漏極電流iD。如果uGS>0，由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生柵極電流，但指向襯底的電場(chǎng)加強(qiáng)，溝道變寬，漏極電流iD將會(huì)增大。若uGS<0，則柵壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與正離子產(chǎn)生的自建電場(chǎng)方向相反，總電場(chǎng)減弱，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)uGS繼續(xù)變負(fù)，等于某一閾值電壓時(shí)，溝道將完全被夾斷，iD=0，管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)的柵源電壓稱(chēng)為夾斷電壓UP。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道

N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性如圖所示。耗盡型NMOSFET的電流方程為：

耗盡型MOS管的工作區(qū)域同樣可以分為截止區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。所不同的是N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓為UP負(fù)值，而N溝道增強(qiáng)型MOS管的開(kāi)啟電壓為UT為正值。

3.2.3MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.開(kāi)啟電壓UT

（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓UP

（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

）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

2.低頻互導(dǎo)gm

在uDS等于常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源電壓的微變量之比稱(chēng)為互導(dǎo)，互導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力，它相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜率?；?dǎo)是表征FET放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。三、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

3.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管同三極管一樣，具有放大作用。它也可以構(gòu)成各種組態(tài)的放大電路，共源極、共漏極、共柵極放大電路。場(chǎng)效應(yīng)管由于具有輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性能好、低噪聲、低功耗等特點(diǎn)，其所構(gòu)成的放大電路有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的偏置及靜態(tài)分析

場(chǎng)效應(yīng)管是一個(gè)電壓控制器件，在構(gòu)成放大電路時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)不失真的放大，同三極管放大電路一樣也要有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，但它不需要偏置電流，而是需要一個(gè)合適的柵源極偏置電壓UGS。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路常用的偏置電路主要有兩種：自偏壓電路和分壓式自偏壓電路。1、自偏壓式電路

自偏壓放大電路只適用于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或耗盡型MOS管組成的電路。由于這兩種管子即使是UGS=0，也有漏極電流ID流過(guò)管子，所以在該電路中，F(xiàn)ET的源極接入一只源極電阻RS后，IDQ流過(guò)它時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)大小等于IDQRS的電壓降。柵源偏置電壓UGSQ=UG－US=－IDQRS。電路自行產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)的偏置電壓UGSQ，剛好能滿足電路中場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)時(shí)對(duì)UGS的要求。UGSQ=－IDQRSUDSQ=UDD－IDQ（RS+RD）

注意：當(dāng)求得的Q點(diǎn)值滿足時(shí)，F(xiàn)ET工作于放大區(qū)，所求得的Q點(diǎn)值為電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；否則表明電路中的FET沒(méi)有工作在放大區(qū)，所求得的Q點(diǎn)值沒(méi)有意義。

【解】由JFET的伏安特性易知

UGSQ=－IDQ*1kΩ

聯(lián)解上面兩式，可求得IDQ=2.9mA、UGSQ=―2.9V進(jìn)而可知UDSQ=UDD－IDQ（RS+RD）=18.4V例3.1由JFET構(gòu)成的放大電路的直流通路如圖所示。其中UDD=30V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ，F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS（off）=―8V。試求IDQ、UGSQ和UDSQ。

2、分壓式電路

分壓式偏置電路如圖所示，這種偏置方式既適用于增強(qiáng)型FET，也適用于耗盡型FET。以N溝道FET為例，這種偏置電路由于有RG1和RG2的分壓，提高了柵極電位，使UGQ>0，這樣既有可能使IDQRS>UGQ，滿足N溝道JFET對(duì)UGSQ的要求（UGSQ<0）；