第5章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

第5章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

主要內(nèi)容：

第5章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

5.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路5.1場(chǎng)效應(yīng)管

5.1場(chǎng)效應(yīng)管FieldEffectTransistor復(fù)習(xí)思考題：三極管的結(jié)構(gòu)有哪些特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)放大的條件是什么？BJT是一種電流控制元件(iB~

iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管，稱為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱單極型三極管。特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。FET分類：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道DSGN符號(hào)5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（N溝道）圖

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)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(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。Source(Grid)(Drain)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變uGS

大小來控制漏極電流iD

的。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(huì)變寬，導(dǎo)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).設(shè)uDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。iD=0GDSN型溝道P+P+

(a)

uGS=0uGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬uGS

由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)uGS=UGS(off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓為負(fù)值。iD=0GDSP+P+N型溝道

(b)UGS(off)<uGS<0VGGiD=0GDSP+P+

(c)

uGS=UGS(off)VGG

uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？如果g-s間加正向電壓如何？思考題：(2)當(dāng)uGS

為UGS(Off)∽0V中某一個(gè)固定值時(shí)，uDS

對(duì)漏極電流iD的影響。若uDS=0V，有導(dǎo)電溝道，但是多子不產(chǎn)生定向移動(dòng)，漏極電流iD為零。若uDS>0V,則有電流iD從漏極流向源極，從而使溝道中各點(diǎn)電位與柵電位不再相等，而是沿溝道從源極到漏極逐漸升高，造成漏極一邊耗盡層比靠近源極一邊的寬。當(dāng)uGS

為UGS(Off)∽0V中某一個(gè)固定值時(shí):uGD>UGS（off）uGS＞UGS（off）且不變，iDD隨uGS增大線性增大，D-S間呈現(xiàn)電阻特性?？拷O一邊的導(dǎo)電溝道必將隨之變窄。只要柵-漏間不出現(xiàn)夾斷區(qū)域，溝道電阻仍將基本上決定于柵-源電壓uDS.uGD＝UGS（off）預(yù)夾斷場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD<UGS（off）夾斷區(qū)變長(zhǎng)，uDS的增大幾乎全部降落在夾斷區(qū)。從外部看，iD幾乎不變，即iD幾乎僅僅決定于uGS表現(xiàn)出iD的恒流作用。uGD<UGS（off）（3）當(dāng)uGD<UGS（off）時(shí)，uGS對(duì)iD的控制作用確定確定確定漏極電流受到柵-源電壓控制，故稱場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件。思考：為什么是結(jié)型？低頻跨導(dǎo)夾斷與預(yù)夾斷的區(qū)別：夾斷：預(yù)夾斷時(shí)：預(yù)夾斷前：預(yù)夾斷后：小結(jié)受控于直至受影響則先增隨后近似不變。以預(yù)夾斷狀態(tài)為分界線：前：后：不變2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(1).輸出特性

（a）

uGS＝0（b）柵源電壓uGS改變圖N溝道JFET的輸出特性擊穿特性：當(dāng)uDS增大到一定程度時(shí)，漏極電流會(huì)驟然增大，管子將被擊穿。由于這種擊穿是因柵-漏間耗盡層破壞而造成的，因而若柵-源擊穿電壓為則漏-源擊穿電壓:輸出特性可劃分為4個(gè)區(qū)域。（1）可變電阻區(qū)（2）飽和區(qū)或恒流區(qū)（3）擊穿區(qū)（4）夾斷區(qū)：當(dāng)uGS＜UGS(off)時(shí)，iD=0，稱為夾斷區(qū)，或稱為截止區(qū)。(2).轉(zhuǎn)移特性

當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)，由于輸出特性曲線可近似為橫軸的一組平行線，所以可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替恒流區(qū)的所有曲線。輸出特性曲線的恒流區(qū)中做橫軸的垂線，讀出垂線與各曲線交點(diǎn)的坐標(biāo)值，建立uGS，iD坐標(biāo)系，連接各點(diǎn)所得的曲線就是轉(zhuǎn)移特性曲線。VP漏極飽和電流。5.1.2.絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管InsulatedGageFieldEffectTransistor,Motal-Oxide-Semiconductor由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)1010以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。1.N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖N溝道P溝道(1)工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用uGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流iD。通過改變加在絕緣層上的電壓（柵-源電壓）的大小來改變導(dǎo)電溝道的寬度，進(jìn)而改變溝道電阻的大小，以達(dá)到控制漏極電流的目的。uGS

控制漏極電流iD。工作原理分析uDS=0,uDS

>0,由于SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層。當(dāng)柵源之間不加電壓時(shí)，漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。(夾斷區(qū)）iD=0SBDSiO2絕緣層耗盡層空穴高摻雜電子，反型層大到一定值才開啟耗盡層襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成反型層。D-S間的導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th):使溝道剛剛形成的柵源電壓uDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(uGS

>UGS(th))導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流iD。a.uDS<uGS–UGS(th)，即uGD=uGS–uDS>UGS(th)

iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)b.uDS=uGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。

uGD＝UGS（th）,預(yù)夾斷剛出現(xiàn)夾斷c.uDS

>uGS–uT，

uGD<UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，uDS

逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，iD

因而基本不變。

iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)uDS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖

uDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

uGD>UGS(th)(b)

uGD=UGS(th)(c)

uGD<UGS(th)(3).特性曲線與電流方程(a)轉(zhuǎn)移特性u(píng)GS<UGS(th)，iD=0；

uGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著uGS

的增加，iD

逐漸增大。(當(dāng)uGS

>UGS(th)

時(shí))UGS(th)2UGS(th)IDOUGS/VID/mAO圖(a)(b)輸出特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。圖(b)2.N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使uGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)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(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，iD

減?。?/p>

uGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。UGS(off)

稱為夾斷電壓SGDBSGDBN型P型

uGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。3.P溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型P溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導(dǎo)電溝道BB種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道

結(jié)型P溝道

絕緣柵型

N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UGS(off)3.開啟電壓UGS(th)4.直流輸入電阻RGS(DC)為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容用以描述柵源之間的電壓UGS

對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)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(gè)皮法。三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS3.柵源擊穿電壓U(BR)GS由場(chǎng)效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)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。

增強(qiáng)型MOS管的基本工作原理：在柵極電壓作用下，漏區(qū)和源區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道。在漏極電壓作用下，源區(qū)電子沿導(dǎo)電溝道行進(jìn)到漏區(qū)，產(chǎn)生自漏極流向源極的電流。改變柵極電壓，控制導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，使漏極電流發(fā)生變化。與JFET相比，兩者結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生溝道的方式不同。但都是利用溝道導(dǎo)電，且外特性都表現(xiàn)為柵源電壓控制漏極電流。綜上分析可知5.1.4場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管單極型場(chǎng)效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成

三種基本放大電路的性能比較組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：輸出電阻：3.三種基本放大電路的性能比較BJTFET輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單。(2)動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。組成原則：靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動(dòng)態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法：5.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路共源電路共柵電路共漏電路圖結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法5.2.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置根據(jù)各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，在柵-源回路和漏-