模电4-场效应管..

1、4场效应管放大电路学习指导：1. 正确理解各种场效应管的工作原理2. 熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数3. 熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置4. 会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输 入电阻和输出电阻主要内容：4.1结型场效应管*4.2砷化傢金属-半导体场效应管4.3金属-氧化物-半导体场效应管4.4场效应管放大电路4.5各种放大器件电路性能比较4.1结型场效应管4.1.1 JFET的结构和工作原理1、结构：在一块N型半导体材料的两 边各扩散一个高杂质浓度的 P+区， 就形成两个不对称的P+N结，即 耗尽层。把两个P+区并联在一起， 引出一个电极

2、g，称为栅极，在N - 型半导体的两端各引出一个电 极，分别称为源极s和漏极do它 们分别与三极管的基极 b、发射 极e和集电极c相对应。夹在两耗尽层N 丁PXP沟道r代表符号这种结构的管个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道） 子称为N沟道结型场效应管，如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的 N+区，就可以制成 一个P沟道的结型场效应管。图给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号2、工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以 N沟道结型场效 应管为例，分析其工作原理。在栅-源极间加一负电压（VGS V 0）， 使栅-源极间的P+N结反偏，栅

3、极电流 iG-0场效应管呈现很高的输入电阻（高 达108 1左右）o在漏-源极间加一正电压（VDS0）， 使N沟道中的多数载流子电子在电场作 用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏 极电流iDoiD的大小主要受栅-源电压VGS 控制，同时也受漏-源电压VDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压VGS对沟道电阻及漏极电 流iD的控制作用，以及漏-源电压VDS对漏极电流iD的影响。(1). VGS对沟道电阻及iD的控制作用 由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|VGS|的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展， 使沟道变窄，沟道电阻增大，当|vgs|进一步增大 到一定值Vp|时，两侧的耗

4、尽层将在沟道中央 合拢，沟道全部被夹断，耗尽层中没有载流子， 因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压VDS，漏极电流iD 也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用 Vp表示。VDS对iD的影响增大，即沟道电阻增加,论趋于饱和iD应该下降，但是在VDS较小时，沟道的不均匀性不明在VDS较小时，它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面 VDS增加时，沟 道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着VDS的增加，沟道的不均匀性显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即VDS对沟道电阻影响不大，故iD随VDS 增加而几乎呈线性地增加。随着vds的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承

5、 受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随VDS上升 的速度趋缓当Vds增加到Vds=vgs-Vp，即vgd=vgs -vds=Vp(夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道 全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD工0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子（电子）作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若 VDS继续增加，使VDS VGS Vp,即VGDV Vp时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极 方向延伸，如图，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD却基本上趋于饱和，iD不随VDS的增加而增加。因为这时夹

6、断区电阻很大，VDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当VDS增加到大于某 一极限值仙V（br）ds表示）后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩 击穿，iD会急剧增加，正常工作时 VDS不能超过V（BR）DS。从结型场效应管正常工作时的原理可知：结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG-0,输入阻抗很高。 漏极电流受 栅-源电压VGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。预夹断前，即VDS较小时，iD与VDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。沟道中只有一种类 型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型

7、三极管。4.1.2 JFET的特性曲线及参数由于结型场效应管的栅极输入电流iG - 0,因此很少应用输入特性曲线，常 用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。1 输出特性曲线输出特性曲线用来描述VGS取一定值时，电流iD和电压VDS间的关系，即S 二 /Wds）L禺它反映了漏-源电压VDS对由此图可见，结型场效应管的iD的影响。工作状态可划分为四个区域可变电阻区它表示VDS较小、管子预夹断前，电压 VDS与漏极电流iD间的关系。在此区域内有 VpV VGSW0 VdsV VGS VPo当VGS 定，VDS较小时，VDS对沟 道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与VDS之间基本呈线性关系。若|

8、Vgs |增加, 则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在 VDS较小时，源-漏极间可以 看作是一个受vgs控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使 结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。(2) 饱和区(也称恒流区)当VpVvgsW0且vdsvgs Vp时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即图中 特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压VDS与漏极电流iD间的关 系。饱和区的特点是iD几乎不随VDS的变化而变化，iD已趋于饱和，但它受vgs 的控制。卜J增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作线性放大器件用时， 就工作在饱和区。预夹断点随 VGS改变而变化，VGS愈负

9、，预夹断时的VDS越小。(3) 击穿区管子预夹断后，若VDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压VGD增大 到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。管子被击穿后再 不能正常工作。(4) 截止区(又称夹断区)当栅-源电压时，沟道全部被夹断，iDQ这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近。2. 转移特性曲线转移特性曲线用来描述VDS取一定值时，iD与VGS间的关系的曲线，即s 二 /Wgs）L疔翩它反映了栅-源电压VGS对iD的控制作用。由于转移特性和输出特性都是用来描述VGS、VDS及iD间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。 作

10、法如下：在图1所示的输出特性中作 一条VDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点所对应的iD、VGS的值转移到iD-VGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线 -；，如图所示。改变VDS的大小，可得到一族转移特性曲线，当 VDS；（图中为VDS 5V 后，不同VDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内 iD几乎不随VDS 而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中 iD与VGS的关系。在饱和区内 iD可近似地表示为匚-二（VpVvgs 0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层 中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型

11、衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主 离子（负离子），形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。 当Vgs数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图 所示。VGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当VGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N +区相连通, 在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与 P衬底相反，故又称为反型层,如图所示。VGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小我们把开始形成沟道时的栅-源极电U压称为开启电压，用Vt表示。P衬底引幾bl+

12、N-压层N型(感生)沟道P衬底引燥甘lb 占由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vgsV Vt时，不能形成导电沟道,管子处于截止状态。只有当VGS绡/t时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正 向电压VDS，才有漏极电流产生。而且VGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD 增大。这种必须在VGS/T时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。(2)、vds对iD的影响当vgsVt且为一确定值时，漏-源电压VDS对导电沟道及电流iD的影响与结 型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电 压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，N型沟

13、道iD够其P耗尽层N型沟iS但当VDS较小(VdS vgs-Vt)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线，与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vgs的近似关系式为(vgs Vt )式中Ido是vgs=2Vt时的漏极电流iD(2)、参数MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电 压Vp,而用开启电压Vt表征管子的特性4. 3. 2N沟道耗尽型 MOS管结构上N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似，其区别仅在 于栅一源极间电压vgs=0时，耗尽型MOS管中的漏一源极间已有导电沟道产生， 而增强型MOS管要在Vgs剤t时才出现导电沟道。原因是制

14、造N沟道耗尽型MOS 管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子 Na+或K+（制造P沟道耗尽型 MOS管时掺入负离子），如图所示，因此即使vgs=0时，在这些正离子产生的电 场作用下，漏-源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道（称为初始沟道），只 要加上正向电压vds，就有电流iD。如果加上正的vgs，栅极与N沟道间的电场 将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vgs为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vgs负向W /1?/Z J- Z jFjT Z Z Z jT9丿 /I二氧化硅P庶层N型沟道（初始沟道）g椽杂后員有正c J离

15、子的绝嫖层增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。衬底沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用Vp表示。与N沟道结型场效应 管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压Vp也为负值，但是，前者只能在Vgs0，Vpvgs *;si莒癡棋曲 4.4.2 FET的小信弓棋型管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路。用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤，与三极管小信号模型分析法的步骤相同。oVddKgObio *virHe26I图丼源电路及其小信号尊叢电路(2) .中频电压增益场效应管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级，比电阻 Rd、Rl大得多，因 此可将

16、rd作开路处理，于是图1(b)中式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反，即共源极放大电路属于反相电压放大电路。(3) .输入电阻由于场效应管栅极几乎不取信号电流， 栅-源极间的交流电阻可视为无穷大, 因此，图所示共源极放大电路的输入电阻为V.尽二方刁&3 +应1 R空(4) .输出电阻应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法，可求得图所示电路的输出电阻为：c. - _ - .。由上述分析可知，与共射极放大电路类似，共源极放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相,共源极放大电路的输入电阻很咼，输出电阻主要由漏极电阻适用于作多级放大电路的输入级或中间级例题：共漏极放

17、大电路审一踣图Rs Rs!VsRga1 .中频电压增益罔444奥漏扱电建的小信号零败电踏由此式可知，共漏极放大电路的中频电压增益I ,输出电压与输入电压相位相同。当 -时， N卜，因此，共漏极放大电路又称为源极电压 跟随器。2输入电阻Ri尽=j匕&孑+ (% ”甩2 )3.输出电阻Ro在此电路中，由于栅极电流；，栅极回路的电阻上均无信号电压，所I以1 一 ，于是有丄即共漏极电路的输出电阻Ro等于源极电阻R和跨导的倒数一相并联，所 以，输出电阻Ro较小。不过，由于一般情况下gm较小，因而使共漏电路的输出 电阻比共集电极电路的输出电阻高3、场效应管放大电路与 BJT放大电路的性能比较场效应管放大电

18、路的共源电路、共漏电路、共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路、共集电路、共基电路相对应。共源电路与共射电路均有电压放大作用，即上-.，而且输出电压与输入电压相位相反。因此，这两种放大电 路可统称为反相电压放大器，用图1(a)所示的示意图表示。直谎电源B负载元件基极极* 彳a或 +册极三端有直疣电源二師喟 源器件基极或43+二师肓源器件发肘极或源极负毅元件 集电极威漏极一一価有源器件(c)(a)(b)共漏电路与共集电路均没有电压放大作用，即A订二0在一定条件下可认为I，即叱”卩，而且输出电压与输入电压同相位。因此，可将这两种 放大电路称为电压跟随器，用图1（b）所示的示意图表示。共栅电路和共基

19、电路均有输出电流与输入电流接近相等（-：）。为此,可将它们称为电流跟随器，用图1（c）所示的示意图表示。而且，由于这两种放大 电路的输入电流都比较大，因此，它们的输入电阻都比较小。场效应管放大电路最突出的优点是，共源、共漏和共栅电路的输入电阻高于 相应的共射、共集和共基电路的输入电阻。此外，场效应管还有噪声低、温度稳 定性好、抗辐射能力强等优于三极管的特点，而且便于集成。必须指出，由于场效应管的低频跨导一般比较小， 所以场效应管的放大能力 比三极管差，如共源电路的电压增益往往小于共射电路的电压增益。另外，由于MOS管栅-源极之间的等效电容Cgs只有几皮法-几十皮法，而栅-源电阻rgs又 很大，

20、若有感应电荷，则不易释放，从而形成高电压，以至于将栅-源极间的绝缘层击穿，造成管子永久性损坏。使用时应注意保护。实际应用中可根据具体要求将上述各种组态的电路进行适当的组合，以构成高性能的放大电路。本章小结*由于结构和工作原理的不同，使得场效应管具有一些不同于三极管的特点，如下表所示。将两者结合使用，取长补短，可改善和提高放大电路的某些性能指标。比较内容场效应管三极管导电机理只依靠一种载流子（多子）参与导电，为单极 型器件。两种载流子（多子和少子）参与导电，为双极 型器件。放大原理输入电压控制输出电流 皿關gm=0.1ms20msd龟，输入电流控制输出电流，例如血E叽，B=20寫001.制造工艺简单，便于大规模集成。1.受温度等外界影响较大，噪声大。2.热稳定性好，噪声低。特点3.输入电阻高，栅极电