第四章 场效应管放大电路

1、第四章 场效应管放大电路§4.1 结型场效应管场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。场效应管分为结型和MOS型两种，结型包括N沟沟道和P沟道，MOS型也包括N沟道和P沟道两种，它们分别包含了增强型和耗尽型。1. N沟道结型场效应管的结构和符号结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)

2、，另一端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。 （1）VGS对导电沟道的影响：(a) VGS=0，VDS=0,ID=0VP(VGS(OFF) )：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS>107，所以IG=0  (b) 0<VGS< VP(c) |VGS | = VP ，VGS耗尽层变宽导电沟道被全夹断 （2）VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，时 (a) VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽。VDS ID    &#

3、160; (b)| VGS- VDS | = | VP |时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断。VGS=0时，产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS       (c) VDS夹端长度场强 ID=IDSS基本不变。    输出特性: 表示VGS一定时，iD与VDS之间的变化关系。(1) 截止区（夹断区） 如果VP= -4V， VGS= -4V以下区域就是截止区 VGS VP ID=0    (2) 放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变

4、的区域VGS -VDS VP VDSID不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源   (2) 饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域VGS -VDSVP VDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻  转移特性 : 表示vDS一定时，iD与vGS之间的变化关系。   转移特性描述了在VDS一定时，VGS对iD的控制作用。可直接从输出特性曲线上做图求出。当|VGS - VDS | | VP |后，管子工作在恒流区，VDS对iD的影响很小。实验证明，当|VGS - VDS | | VP |

5、时，iD可近似表示为： §4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于1000000000。 增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。1. 结构和符号（以N沟道增强型为例）在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的N型区作为漏极和源极，半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。 其他MOS管符号2. 工作原理（以N沟道增强型为例）(1) VGS=0时，不管VDS

6、极性如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。VGS =0， ID =0VGS必须大于0管子才能工作。   (2) VGS>0时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。当VGS达到一定值时P区表面将形成反型层把两侧的N区沟通，形成导电沟道。VGS >0g吸引电子反型层导电沟道VGS反型层变厚 VDS ID  (3) VGSVT时而VDS较小时：VDSID VT：开启电压，在VDS作用下开始导电时的VGS°VT = VGS VDS   (4) V

7、GS>0且VDS增大到一定值后，靠近漏极的沟道被夹断，形成夹断区。VDSID 不变    3. 特性曲线（以N沟道增强型为例）场效应管的转移特性曲线动画4.其它类型MOS管（1）N沟道耗尽型：制造时在栅极绝缘层中掺有大量的正离子，所以即使在VGS=0时，由于正离子的作用，两个N区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）。其它类型MOS管（2）P沟道增强型：VGS = 0时，ID = 0开启电压小于零，所以只有当VGS < 0时管子才能工作。（3）P沟道耗尽型：制造时在栅极绝缘层中掺有大量的负离子，所以即使在VGS=0 时，由于负离子的作用，两个P区之间存在

8、导电沟道（类似结型场效应管）。5. 场效应管的主要参数(1) 开启电压VT ：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的最小 |VGS | 值。（增强）(2) 夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流时的 |VGS | 值。（耗尽）(3) 饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时，管子发生预夹断时的漏极电流。（耗尽）(4) 极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.11pF，栅源电容CGS和栅漏极电容CGD约为13pF。(5) 低频跨导 gm ：表示VGS对iD的控制作用。在转移特性曲线上，gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。(6)

9、最大漏极电流 IDM (7) 最大漏极耗散功率 PDM (8) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS 场效应三极管的型号场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。几种常用的场效

10、应三极管的主要参数见表 场效应管总结 场效应管总结(MOS)N沟道增强型P沟道增强型 场效应管总结(J)N沟道耗尽型P沟道耗尽型§4.3 场效应管应用例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=Vp 0<|Vp|<VdddddTp:p沟道增强型，Tn:n沟道增强型Vi=+Vdd时：Tp:VGSp=0>Vp ，截止 Tn:VGSn=Vdd>Vp ，导通Vo= 0Vi= 0时：Tp:VGSp=-Vdd<Vp ，导通Tn:VGSn=0<Vp ，截止Vo= +Vdd   例2：压控电阻场效应管工作在

11、可变电阻区时，iD随VDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受VGS控制。所以可看成是受VGS控制的电阻。§4.4 场效应管放大电路1.场效应管的小信号模型已知场效应管输出特性表达式：求全微分:其中： 低频跨导可从输出曲线上求出aaaaa漏极与源极间等效电阻 一般rds很大，可忽略，得简化小信号模型: 2. 共源极放大电路以NMOS增强型场效应管为例三极管与场效应管三种组态对照表：电路组成比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负

12、载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFETMOSFET的直流通道和交流通道是一样的。 直流分析直流分析：VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R)解出VGS、ID和VDS。 直流通路交流分析s微变等效电路3 共漏极放大电路 与三极管共集电极电路对应  直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出VGS、ID和