第4章 场效应管及其放大电路

1、12/7/2021 4:15:20 PM第第4章章 场效应管场效应管放大电路放大电路 12/7/2021 4:15:20 PM基本要求基本要求 了解场效应管的分类、结型场效应管（JFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的结构、工作原理； 熟悉输出特性曲线和转移特性曲线，以及场效应管的主要参数； 掌握场效应管放大电路的组成、分析方法和应用。 12/7/2021 4:15:21 PMFET 特点特点 场效应管根据结构和工作原理的不同，分为两大类：结型场效应管(Junction Field Effect Transistor, JFET)和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET） ，其中

2、包括耗尽型和增强型。本章先介绍JFET和MOSFET的结构、工作原理、特性曲线及主要参数，再讨论场效应管放大电路的3种组态：共源极、共漏极和共栅极放大电路。 BJT工作在放大区时，输入回路的PN结(BE结)加正向偏压，输入阻抗小，且属于电流控制电流器件。场效应管(FET)虽然也是一种具有PN结的半导体器件，但它是利用器件内部的电场效应控制输出电流的大小，其输入回路的PN结通常工作在反偏压或绝缘状态，输入阻抗很高(1071012)。FET具有体积小、耗电少、寿命长、内部噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单以及便于集成等特点。 12/7/2021 4:15:21 PM4.1 结型场效应管

3、结型场效应管(JFET) (a) N沟道JFET的结构(Drain) (Gate) (Source) 图4-1 结型场效应管的结构及符号(b) P沟道JFET的结构(Drain) (Gate) (Source) 4.1 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 4.1.1 N沟道结型场效应管的结构沟道结型场效应管的结构 (c) JFET的符号N 沟道P 沟道gdsgds(c)12/7/2021 4:15:21 PM 如图4-1a所示，在一块N型半导体材料的各分别扩散一个高参杂浓度的P型区(用P+表示)，两侧P+区与N沟道交界处形成两个PN结，由于P+区内侧耗尽层非常窄，可见这两个PN结都是非对称PN

4、结。 两边P+区各引出一个欧姆接触电极并连接在一起，称为栅极G(Gate)；在N型半导体的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极S(Source)和漏极D(Drain)。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道。N沟道JFET的符号如图4-1c所示，其中，箭头所指方向表示栅极和源极之间的PN结加正向偏压时，栅极电流的方向是从P指向N。 如图4-1b所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图4-1c所示。对于P沟道JFET，在使用过程中，除了直流电源电压极性和漏极电流的方向与N型沟道JFET相反外，两者的工作原理完全一样。 12/7/2021 4:15:21 PM4.1.2 N

5、沟道结型场效应管的工作原理沟道结型场效应管的工作原理 12/7/2021 4:15:22 PM4.1.2.1 对导电沟道和对导电沟道和 的控制作用的控制作用 GSuDiGS(off)GSGSGSGSDS (c) 0 (b) 0 ) a ( 0 24 Uuuuuu对沟道的控制作用时图dddgggsssGGUGGUGSuGSu(a)(b)(c)导电沟道导电沟道沟道变窄沟道变窄沟道夹断沟道夹断12/7/2021 4:15:22 PM12/7/2021 4:15:22 PM4.1.2.2 DSu对导电沟道和对导电沟道和Di的控制作用的控制作用 iD=0 (a)0GSu0DSu(b)GGUDDUGSuD

6、SuiD 迅 速 增 大 GS(off)GSDSUuu沟道最宽但电沟道最宽但电流为零流为零沟道变窄沟道变窄12/7/2021 4:15:22 PMiD 趋 于 饱 和 GGUGSuDDUDSu(c)GS(off)GSDSUuuAGGUGSuDDUDSuiD 饱 和 (d)GS(off)GSDSUuuA沟道预夹断沟道预夹断沟道夹断沟道夹断12/7/2021 4:15:23 PM12/7/2021 4:15:23 PMGS(off)GSDSUuu (4-1) 12/7/2021 4:15:23 PM4.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 1输出特性曲线输出特性曲线 N 沟道结型场

7、效应管的输出特性曲线是指当栅源电压GSu一定时， FET 漏极电流Di与漏源电压DSu之间的关系曲线， 如图 4-5a 所示，其函数关系为 常数GS)(DSDuufi (4-2) 图4-5a所示N沟道JFET的输出特性曲线。 12/7/2021 4:15:24 PMV0GSu-0.2V-0.6V-0.4V(b) 转移特性(a) 输出特性(2)(1)vDSu0mADi246810123456(a)GS(off)GSDSUuu图 4-5 结型FET的特性曲线)offGS(UVGSu-0.2(b)mADiDSSI0123456-0.4-0.6(3)(4)ABCDDCBA可变电阻区可变电阻区截止区截止

8、区放大区放大区击穿区击穿区转移特性转移特性12/7/2021 4:15:24 PM12/7/2021 4:15:24 PM12/7/2021 4:15:24 PM2 2转移特性曲线转移特性曲线 (b) 转移特性)offGS(UVGSu-0.2mADiDSSI0123456-0.4-0.6DCBA在 FET 输出特性的饱和区， 即0GSGS(off) uU的范围内，Di随GSu的增加(负数减小)近似按平方律上升，即 常数DS)(GSDuufi (4-3) 2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi(4-4) 只要给出DSSI和GS(off)U的数值就可以将转移特性中的其他点近似计算出来。 12

9、/7/2021 4:15:25 PM4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IG-FET) 12/7/2021 4:15:25 PM4.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET d dg gs sb bd dg gb bs s(b)增强型N沟道图4-6 增强型 MOSFET 的结构及其符号(b) 增强型MOSFET的符号s sg gd d衬底 B(a)2SiO绝缘层铝电极半导体材料(a) N沟道增强型MOSFET 的结构示意图P 衬底NN阻挡层增强型P沟道4.2.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构 绝缘层绝缘层衬底衬底吕电极吕电极12/7/2021 4:15:25 PM 在一块掺

10、杂浓度较低的P型半导体材料(衬底)上，利用扩散工艺在衬底上形成两个高掺杂浓度的N型区域(用N+表示)，并在此N区域上引出两个接触电极(铝电极)，分别称为源极(S)和漏极(D)，两个电极之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，该绝缘层上再沉积金属铝层并引出电极作为栅极(G)，从衬底引出的电极称为衬底电极(B)，通常将衬底电极和栅极连接在一起使用。 12/7/2021 4:15:25 PM4.2.1.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理 1. GSu对Di的控制作用 12/7/2021 4:15:26 PMs sg gd dP衬底 BNN0Di(a) 无导电沟道时，

11、 0GSuDDUs sg gd dP衬底 BNN0Di(b) 出现沟道时， TGSVuGGU 反型层导反型层导电沟道电沟道12/7/2021 4:15:26 PMs sg gd dP衬底 BNNDi 夹断区饱和GGUDDU趋于饱和较大时出现夹断 , )d(DDSTGSiuVus sg gd dP衬底 BNNDiGGUDDUN型导电沟道 迅速增大迅速增大较小时， , )c(DDSTGSiuVu导电沟道导电沟道发生变化发生变化导电沟道导电沟道夹断夹断12/7/2021 4:15:26 PM12/7/2021 4:15:26 PM2. DSu对Di的影响 12/7/2021 4:15:27 PM4.

12、2.1.3 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的特性曲线的特性曲线 0GS(th)U(a) 转移特性mADiVGSu6234511234567V 6DSUABCDE/E/D/C/B/A N沟道增强型MOSFET的特性曲线也分为输出特性和转移特性，如图4-8所示。 图4-8b为N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线，输出特性同样分为可变电阻区、放大区(饱和区)、击穿区和截止区。 V2GSu4V5V3V图 4-8 N沟道增强型MOSFET的特性曲线(b) 输出特性(2)(1)(4)6V(3)vDSu0mADi2468101234567GS(th)GSDSUuuABCDE/A/B/C/D/E12/7

13、/2021 4:15:27 PM)( ) 1(GS(th)GS2GS(th)GSDODUuUuIi(4-6) 12/7/2021 4:15:27 PM4.2.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图4-9a所示。耗尽型MOSFET 的符号如图4-9b所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构相似，不同之处在于N沟道耗尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的SiO2中注入一些离子(图中4-9中用“”表示)，使漏源之间的导电沟道在 时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。 0GSu12/7/2021 4:15:27 PMs sg gd

14、 dP 衬底衬底 B(a)图4-9 耗尽型 MOSFET 的结构及其符号(a) N沟道耗尽型MOSFET 的结构示意图(b) 耗尽型 MOSFET的符号(b)耗尽型 P 沟道耗尽型 N 沟道NN2SiO绝缘层铝电极半导体材料导电沟道阻挡层 “”离子导电沟道12/7/2021 4:15:28 PMGS(off)UV0GSu-2V-6V-4V(a) 转移特性图 4-10 N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线(b) 输出特性(2)(1)VGSu2VvDSu0mADi2468102-6-4-21234567(b)(a)GS(off)GSDSUuuV 6DSU0mADi1234567DSSI)0( )1

15、(GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi (4- 7) 12/7/2021 4:15:28 PM4.2.3 MOS场效应晶体管使用注意事项场效应晶体管使用注意事项 MOS场效应晶体管在使用时应注意其分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿，使用时应注意以下规则。 (1) MOS器件启用前通常由生产厂家将MOS器件装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便用其他塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起(或用锡纸包装)，以防被静电击穿。 (2) 已取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。 (3) 焊接用的电烙

16、铁必须良好接地，不具备条件时可将电烙铁拔离交流电源插座再焊接。 (4) 在焊接前先将把电路板的电源线与地线短接，待MOS器件焊接完成后再恢复。 (5) 焊接MOS器件各引脚的顺序是漏极、源极、栅极。拆卸MOS器件时顺序相反。 (6) 电路板在装机之前先用良好接地的线夹子去碰触机器的各接线端子，再把电路板接上去。 (7) 生产过程中，在人体可能接触MOS器件的时，操作人员的手腕应带静电屏蔽套，并将屏蔽套可靠接地。12/7/2021 4:15:28 PM4.2.4 双栅场效应管双栅场效应管(DG FET) 双栅 MOS 场效应管有两个栅极，其结构示意图如图4-12所示。由于双栅MOSFET具有上、

17、下两个栅，增强了对沟道的控制能力。对于厚膜双栅MOSFET, 硅膜在正面、背面栅压作用下的最大反型区域小于硅膜厚度, 即两个反型沟道相对独立, 而硅膜的中间部分没有反型, 没有电流通道。在这种状况下, 双栅MOSFET 相当于两个普通体硅MOSFET 的简单并联。 s sd d1g2g图4-12 双栅极MOSFET基本结构示意图P 衬底衬底B NN2SiO铝电极(半导体材料) N(a)(b)沟道源极漏极栅极栅极导电沟道12/7/2021 4:15:28 PM2g1gds1T2Tds2g1g(a)(b)图4-13 双栅MOSFET的等效DAiDBi(c)DSG1G24DO1的引脚图 国产N沟道M

18、OSFET的典型产品单栅管有3DO1、3DO2、3DO4等，双栅管有4DO1等。 双栅极FET双栅极FET等效双栅极FET引脚图12/7/2021 4:15:28 PM4.3.1 FET的主要参数的主要参数 1直流参数 1) 夹断电压GS(off)U2) 开启电压GS(th)U3) 饱和电流DSSI4) 直流输入电阻GSR2. 交流参数 1) 低频跨导(互导)mgDSGSDm uuig (4-11) 0)( 2 )1 ( 2GSGS(off)DSSDm0DSSDGS(off)DSSGS(off)GSGS(off)DSSmuUIigIiUIUuUIg(4-12) 12/7/2021 4:15:2

19、8 PM对于增强型MOSFET，将式(4-6)代入(4-11)得到增强型MOSFET的跨导为 )( 2 ) 1( 2GS(off)GSDODGS(th)DOGS(th)GSGS(th)DOmUuIiUIUuUIg(4-13) 2) 输出电阻dsrDDSds iur (4-14) 12/7/2021 4:15:28 PM3极限参数极限参数 12/7/2021 4:15:29 PM4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路 FET放大电路的分析方法与BJT放大电路的分析方法基本相同，可以用图解法和低频小信号等效(微变等效)电路法。 4.4.1 直流分析直流分析 与BJT放大电路相似，给FET栅极提供

20、直流电压的电路称为偏置电路。FET的偏置电路分为固定偏置电路、自给偏置电路和分压式偏置电路三种。 12/7/2021 4:15:29 PMDRT iU oUDIgsUDDULR1C2CGGU(b)固定偏置电路GR1) 固定偏置电路 共源组态的基本放大电路如图4-14所示。 图4-14a是为FET提供负偏压的固定偏置放大电路，偏置电压由外加电压 提供，由于FET的输入电阻很大，流过栅极的电流几乎为零。因此， 两端的电压降为零 GGUGR)1 (GS(off)GSDSSDUUII (4-15) 12/7/2021 4:15:29 PM 与BJT固定偏置电路一样，图4-14a所示FET固定偏置电路也

21、存在着工作点不稳定的缺陷，因此，实际应用中很少使用，更常用的是自给偏压电路和分压式偏置电路。 DRT iUGRR oUDIgsUsCDDULR1C2C(b)自给偏置电路2) 自给偏置电路 偏置电阻12/7/2021 4:15:30 PMRIUUUDSGGS(4-16) 这种偏置电压是由FET的电流 产生的，所以称为自给偏压。 DI2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi(4-17) DIGSU只要将式(4-16)与(4-17)联立求解，就可以求出静态时漏极电流 和栅源电压 。 漏极电流 求出后，根据图4-14b所示电路的输出回路(漏极回路)列出KVL方程：DI)(SDDDDDSRRIUU(

22、4-18) 12/7/2021 4:15:30 PM3）分压式自给偏压电路分压式自给偏压电路 DRT iUG2RRDIgsUsCDDULR1C2CG1R(a)GUDRT iUR oUDIgsUsCDDULR1C2C(b)G1RG2RG3RGUGUsRsU12/7/2021 4:15:30 PMG2G1G2DDGRRRUU(4-20) RiRRRUuDG2G1G2DDGS(4-22) 将(4-16)与(4-22)联立求解，可以得到静态时漏极电流 和栅源电压 的值。 DIGSURIUDS(4-21) 利用式(4-20)获得合适的 较为方便，因此，分压式自给偏压电路不仅适用于增强型FET放大电路，也

23、同样适用于耗尽型FET放大电路。GSU12/7/2021 4:15:30 PM4.4.2 小信号模型分析小信号模型分析 4.4.2.1 FET的小信号等效模型的小信号等效模型 FET的输出特性可知 ),(DSGSDuufi DSDSDGSGSDD d d dGSDSuuiuuiiUU(4-24) DSGSD Uui是式(4-11)表示的跨导mgGSDSD Uui是式(4-12)表示的FET输出电阻的倒数。 12/7/2021 4:15:31 PMdsdsgsmd1urugi(4-25) gsdGSDmDS uiuigU为跨导 ,单位为mA/V或mS dsdDSDdsdsGS 1uiuirgU称

24、为FET漏极电阻率，单位为1gsudsrdsudigsmugGDS(a) 低频小信号线性模型gsudsrdsudigsmugGDSgsCgdCdsC(b) 高频小信号线性模型分布电容12/7/2021 4:15:31 PM4.4.2.2 小信号模型分析方法小信号模型分析方法 1. 共源极放大电路分析共源极放大电路分析 DRT iUR oUDIgsUsCLR1C2CG1RG2RG3RGUGUDDU图4-17 共源极放大电路sRsU FET放大电路的分析方法和BJT放大电路的分析方法相同。给出电路后首先应该分析电路中各元器件的作用，然后画出该电路的低频小信号等效电路图，再根据定义计算电路中的相关参

25、数。 12/7/2021 4:15:31 PM 将图4-17所示共源极放大电路的交流通路和小信号微变等效电路绘成图，如图4-18所示。 DRT iU oUdIgsULRG1RG2RG3R(a)SRsU iI(b)gsUdsrgsmUgG1RG3RDRLR iU oUG2RSRsU iIdI图4-18 共源极放大器的微变等效电路12/7/2021 4:15:31 PM1) 电压增益电压增益 根据定义， 放大电路的电压放大系数为iouUUA， 由图 4-18b 可知， gsiUU，由于/LdsRr ，且令LD/L/ RRR ，/Lgsmds/Lgsmo)/(RUgrRUgU，则 /Lmgs/LgsmiouRgURUgUUA(4-26) 式(4-26)中的“”号表示共源极放大器的倒相作用。 2) 电流增益电流增益 LGuGgsLgsioi/RRARURUIIA (4-2