模擬電子線路第二章(2)教材

1場效應(yīng)管及其應(yīng)用1.4場效應(yīng)管2.6場效應(yīng)管放大電路2引言場效應(yīng)管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結(jié)型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(Insulated

GateFET)也稱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）

是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件3特點(diǎn)：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、噪聲低

(107

1015

，IGFET可高達(dá)1015

)41.4.1結(jié)型場效應(yīng)管1、N溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號耗盡層?xùn)艠O(Gate)源極(Source)漏極(Drain)5按照類似的方法，將基片換為P型半導(dǎo)體，把兩邊擴(kuò)散的半導(dǎo)體改為N型的，就制成了P溝道的結(jié)型場效應(yīng)管。P溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號62、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理(1)vDS=0時vGS對溝道的影響此時溝道被夾斷，對應(yīng)的稱為夾斷電壓用表示GSvPV-||GSv-???結(jié)PNˉ??溝道ˉDi0==DPGSiVv時，溝道消失出現(xiàn)夾斷當(dāng)此時：7(2)vGS=0時vDS對溝道的影響-||DSv此時溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷-???????Di溝道電場強(qiáng)度加大基本不變繼續(xù)增大，夾斷點(diǎn)下移DDSiv預(yù)夾斷擊穿思考：vGS不等于零（小于零）溝道如何變化？iD如何變化？溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷（iD為漏極飽和電流）增加到：當(dāng)DSv

vGD

=VPvGD

=vGS

－vDS

動畫83、結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性①輸出特性可變電阻區(qū)飽和區(qū)(放大區(qū))

擊穿區(qū)

截止區(qū)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線輸出特性分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)：

vGD

=vGS

－vDS

>VP,vGS

>VP飽和區(qū)（放大區(qū)）：vGD

=vGS

－vDS

<VP,vGS

>VP截止區(qū)：vGD

=vGS

－vDS

<VP,vGS

<VP9轉(zhuǎn)移特性(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線

耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng)vGS

=0時所對應(yīng)的漏極電流。10P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性曲線P溝道JEFT工作時：0<DSv0>GSv114、結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù)①夾斷電壓VP

(或VGS(off))

當(dāng)vGS=VP時，漏極電流為零。②飽和漏電流IDSS

耗盡型場效應(yīng)三極管，在VGS=0的情況下（飽和區(qū)），所對應(yīng)的漏極電流。發(fā)生PN結(jié)擊穿，開始急劇上升時的的值。

③漏源擊穿電壓

DSBRV)(12④輸入電阻rgs對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時rgs約大于107Ω，對于絕緣柵場型效應(yīng)三極管，rgs約是109～1015Ω。⑤低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力。單位是mS(毫西門子)。13⑥輸出電阻dsrConstvDDSGDiv=??=⑦最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM=

vDS

iD決定。在飽和區(qū)內(nèi)，場效應(yīng)管的輸出電阻也比較大，一般為幾十到幾百千歐姆。141.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffrctTransistor(MOSFET)MOSFET增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道當(dāng)時，就已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道

當(dāng)時，不存在導(dǎo)電溝道

15一、增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管1、結(jié)構(gòu)鋁N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號

箭頭方向表示由P襯底指向N溝道16P溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號

172、工作原理

①柵源電壓對溝道的影響反型層N型溝道生成！

越大，電場就越強(qiáng)，溝道將越厚，iD也就越大。

通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。

增加VGS，當(dāng)VGS＞VT時（VT

稱為開啟電壓），在靠近柵下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，形成溝道，將漏極和源極溝通。動畫18②同時加入漏源電壓后對溝道的控制作用DI出現(xiàn)預(yù)夾斷擊穿預(yù)夾斷vGD=vGS－vDS

當(dāng)vDS增加到使VGD=VT時，這相當(dāng)于漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。

當(dāng)vDS增加到VGD

VT時，此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。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。當(dāng)vDS較小時，相當(dāng)vGD＞VT，此時vDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。動畫193、伏安特性可變電阻區(qū)飽和區(qū)

擊穿區(qū)

截止區(qū)VGS<VT,iD=0N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線①輸出特性輸出特性分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)：

vGD

=vGS

－vDS

>VT,vGS

>VT飽和區(qū)（放大區(qū)）：vGD

=vGS

－vDS

<VT,vGS

>VT截止區(qū)：vGD

=vGS

－vDS

<VT,vGS

<VT20轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線稱為導(dǎo)通參數(shù)

W為導(dǎo)電溝道的寬度L是導(dǎo)電溝道的長度

21二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管時溝道就存在了

SiO2絕緣層中摻入了大量的正離子22P溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管電路符號231、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理時溝道就存在了

時，導(dǎo)電溝道會變厚，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的vGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。時，溝道會變薄，0<GSvˉDi242、伏安特性（a）輸出特性(b)轉(zhuǎn)移特性25(3)P溝道耗盡型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。26各種場效應(yīng)管特性的比較FETJFETMOSFETN溝道JFETP溝道JFET增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFETN溝道P溝道N溝道P溝道2)1(PGSDSSDVvIi-=2)(TGSnDVvKi-=2)1(PGSDSSDVvIi-=27不同類型FET轉(zhuǎn)移特性比較結(jié)型N溝道uGS/ViD/mAO增強(qiáng)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28

(a)N溝道FET(b)P溝道FET29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型結(jié)型N溝道P溝道 PNP型絕緣柵增強(qiáng)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(kuò)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)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302.6場效應(yīng)管放大電路

與晶體三極管放大電路一樣，場效應(yīng)管都應(yīng)工作于輸出特性曲線的飽和區(qū)內(nèi)，所以都需要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，但是因?yàn)閳鲂?yīng)管是電壓控制電路，所以它需要有合適的柵源電壓。31一、場效應(yīng)管放大器的偏置電路1、自偏壓電路直流通路

VG=0,VS=IDR所以：

VGSQ=VG-VS

=-IDQR

2PGSQDSSDQ)VV-(1II=)(RRIVVDDQDDDSQ+-=

該電路只適合于耗盡型FET，因?yàn)樵鰪?qiáng)型的FET當(dāng)柵源電壓為零時，無漏極電流，所以不能使用這種電路。322、分壓式偏置電路VS=IDQRs33RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3使FET工作于飽和區(qū)34二、場效應(yīng)管的小信號模型為了得到交流小信號在Q點(diǎn)上求全微分35，它正對應(yīng)于場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性在Q點(diǎn)處對的控制作用,稱之為跨導(dǎo)。36三、場效應(yīng)管放大器的解析法

共源極放大器求其電壓增益、輸入電阻、輸出電阻的表達(dá)式37畫出小信號等效電路交流通路小信號等效電路求電壓增益gsLDdsgsmVRRrVg)////(-=)////(LDdsmRRrg-=38輸入電阻、輸出電阻共源電路屬于反相電壓放大器，其增益較大，輸入電阻較高，輸出電阻由RD決定39例：如圖所示的共源放大器。求其電壓增益、輸入電阻、輸出電阻的表達(dá)式。40解：作出交流通路和小信號等效電路

DRR?0412、共柵極放大器*

——由于柵極與溝道之間的高阻未發(fā)揮作用，所以很少用3、共漏極放大器42(1)直流分析直流通路GDSVGSQ=VG－VS=VG－IDQR

VDSQ=VDD－IDQR

43(2)交流分析交流通路小信號等效電路①電壓放大倍數(shù)式中RL′=≈R//RL≈144②輸入電阻③輸出電阻GDS小信號等效電路GSD(忽略Rs上壓降)45共漏電路又稱源極輸出器，其輸出電壓和輸入電壓同相，電壓增益接近1，輸入電阻高，輸出電阻小。46例1、判斷下列電路能否正常工作。不能，因?yàn)閂GS>0能不能，因?yàn)閂GS=0，沒有導(dǎo)電溝道不能，因?yàn)閂DS<047

三種接法基本放大電路的比較三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應(yīng)關(guān)系

CE/CB/CC

CS/CG/CDbeLLbeLbeL//RC

+=CB

)1(

)(1

=CC//RC=CErRβARβrRβArRβAvvv//RE++//RE+-&&&：：：LmLmLmLm+=CG

1

=CD

=CSRgARgRgARgAvvv’

+’

’

-：：：&&電壓