第3章场效应晶体管和基本放大电路

1、第第3 3章章 场效应晶体管和基本放大场效应晶体管和基本放大电路电路3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管3.2 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路思考：3-1习题：3-3、3-4、3-7本章的重点与难点本章的重点与难点理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数； 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。 3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管双极型三极管电流控制IEIBICVCCVBBRCRBIBIENICNcebICBOIEP 既有多数载流子导电，又有少数载流

2、子导电，所以称双极型晶体管。 电流控制型器件晶体管的三个工作区 截止区：IB=0以下的区域。饱和区IC / mAUCE /V0IB= 0 A20A40 A60 A80 A放大区截止区 放大区特点：C = IB 曲线几乎水平,C与UCE无关，仅仅由IB决定。 饱和区特点： C IB。IC不受IB的控制，IC随UCE增加而增加,。3.1.1 结型场效应管 N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D NNPP 1. 结型场效应管的结构 将它们连接在一起引出电极栅极G。N型半导体分别引出漏极D、源极S。 P区和N区的交界面形成耗尽层。源极

3、和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。 2. 2. 工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用d耗尽层耗尽层 若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。 在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。sgPN导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图P 这样既保证了栅-源之间的电阻很高，又实现了UGS对沟道电流ID的控制。2. 2. 工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用正常工作时：正常工作时： 在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压) 漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）d耗尽层耗尽层sgP+N

4、导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图P+1)当UDS=0时，UGS对导电沟道的控制 当UGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。 随| UGS |增大，耗尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。 | UGS |增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。1)当UDS=0时，UGS对导电沟道的控制由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。 | UGS |增加到某一数值，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时UGS的值为夹断电压UGS（off） UDSdsgID 当 UDS =0时，虽有导电沟道，但ID为零。 当UDS 0时，产生ID，随着UDS增加， ID增加。2）g、s间短路，d

5、、s间加正向电压UDSdsgAID 随着UDS增加，当UGD = UGS UDS = UGS（off）时,靠近漏极出现夹断点。 称2）g、s间短路，d、s间加正向电压dsgUDSUGSID 出现预夹断点A点的电压UGA = UGS（off） ，D极和A点之间存在电位差UGD UGA （ 0），载流子通过电场效应被D极吸收，形成电流ID 。2）g、s间短路，d、s间加正向电压dsgUDSUGSIDA 进入预夹断后，当UGS一定时，ID表现出恒流特性。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。 dsgUDSUGSID 称场效应管为电压控制元件。2）g、s间短路，d、s间加正向电压1）UGD UGS

6、（off） 时（未出现夹断前），对于不同的UGS ，漏源之间等效成不同阻值的电阻， ID随UDS 的增加 线性增加。（对应可变电组区）2）UGD= UGS（off） 时，漏源之间预夹断。3）UGD UGS（off）。 特点：可通过改变UGS来改变漏源间电阻值。1)可变电阻区 IDUDS条件： UGD0 UDS =0： 由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2的空穴，形成耗尽层。3） UGS继续增加，UDS =0： 使导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th) 。 （2）工作原理 耗尽层增宽,将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间

7、。形成N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。P衬底BN+N+SGD反型层 UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。 将产生一定的漏极电流ID 。 ID随着的UDS增加而线性增大。P衬底BN+N+SGD4） UGS UGS(th) ，UDS 0：（2）工作原理 此时导电沟道的宽度不再处处相等。 为什么？ G极和导电沟道各点的电压不再处处相等。5）UGS UGS(th) , UGD =UGS(th) ：（2）工作原理随着UDS的增大， UGD减小，当UDS增大到UGD =UGS(th)时 ，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为预夹断。 此时继续增加UDS，夹断区会继续左移。 但

8、仍然有ID，为什么？ 如果没有ID，沟道处处相等。 但显然不满足。 5）UGS UGS(th) , UGD UGS(th) ：（2）工作原理漏电流ID几乎不变化，管子进入恒流区。漏级D和夹断点A的电压差： UGD UGS(th) （ 0 ）电场，吸引电子，因此仍然存在ID 。 A（2）工作原理 ID几乎仅仅决定于UGS 。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。恒流区击穿区可变电阻区（3） 特性曲线4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)输出特性转移特性 UDS / VID /mA夹断区2)()1(thGSGSD

9、ODUUIIID和UGS的近似关系：IDO是UGS = 2UGS(th)时的ID。UDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mAIDO（3） 特性曲线 制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS =0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS ，就会产生ID。结构示意图P源极S漏极D 栅极GBN+N+正离子反型层SiO22.N沟道耗尽型MOS管(1)结构 只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off) 。dN沟道符号BsgP沟道符号dBsgDBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽型MOS管符号增强型

10、MOS管符号N沟道耗尽型MOS管的特性曲线 （2） 特性曲线432104812UGS =1V2V3V输出特性转移特性1230V101 2123 UGS / VIDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mANMOS耗尽型PMOS耗尽型（自学）场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性NMOS增强型PMOS增强型（自学）场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性P沟道结型（自学）N沟道结型场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性 测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号管号UGS(

11、th)/VUS/VUG/V UD/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区恒流区截止区截止区可变电阻区可变电阻区 测得某放大电路中三个结型场效应管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号管号UGS(off)/VUS/VUG/V UD/V工作状态工作状态T1-45-15T2-45310T3-4203夹断区夹断区恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区3.1.3 场效应管的主要参数1.直流参数（1）开启电压UGS(th) UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值,它是增强型MOS管的参数。（NMOS

12、管为正，PMOS管为负） （ 2）夹断电压 UGS(off) UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负， PMOS管为正）。 栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为107-1010左右。 对于耗尽型MOS管,在UGS =0情况下产生预夹断时的漏极电流。1.直流参数dN沟道符号BsgP沟道符号dBsg2.交流参数gm=iD / uGS UDS =常数 gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即2.交流参数

13、（2）交流输出电阻rds rds反映了UDS对ID的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数 rds在恒流区很大。常数GSUDDSdsiur3.极限参数（见第五章） (1)最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值。 (2)最大漏源电压U DS(BR) 管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏-源击穿电压。(管子的极限参数，使用时不可超过。) 对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称为栅-源击穿电压。 对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅-源击穿电压。 PDM决定于管子允许的温升。3.极限参数（见第五章） 1、场效应管利用栅源电压控制漏极电流，是电压

14、控制元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大； 晶体管利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗较小。 场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，能实现对信号的控制。3.1.4 场效应管与双极型晶体管的 比 较2. 晶体管的放大倍数通常比场效应管大。3. 场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4. 场效应管比晶体管噪声系数小。5. 场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。3.1.4 场效应管与双极型

15、晶体管的 比 较6. 场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.MOS管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8. 场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。3.1.4 场效应管与双极型晶体管的 比 较 当UGS控制导电沟道宽。没有导电沟道为夹断区，出现导电沟道后，判断可变电阻和恒流区。 UDS 控制电流ID的大小。当D极出现预夹断后，脱离可变电阻区进入恒流区。UDSdsgID3.2 场效应管放大电路能实现对信号的控制；三种组态相对应；分析方

16、法相同。 为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；而对BJT则加适当的偏流。 场效应管放大电路也必须建立合适的静态工作点，保证有输入信号时工作在恒流区。3.2.1场效应管放大电路的直流偏置及静态分析1.自给偏压电路 此电路形式只适用于耗尽型MOS器件。 静态时RG的电流近似为零，靠源极电阻上的电压为栅-源提供一个负偏压。（ 栅极电流为0）2)()1 (offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU)(sDDQDDDSQRRIVU（耗尽型MOS管的电流方程）电路结构直流通路sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU2122)() 1(thGSGSDODQUUII（栅极

17、电流为0）IDQ UGSQ)(SDDQDDDSQRRIVU（增强型MOS管的电流方程）求静态静态工作点作5 . 0，1场效应管的,18,30,2,10,47,2图示电路中，:例）（21mAIVUVVkRkRMRkRMRDSSoffGSDDDSGGG22)()11 (5 . 0)1 (GSQoffGSGSQDSSDQUUUIIsDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212解：解：（求静态，（求静态，电容开路）电容开路）。DQGSQGSQDQIUUI24 . 0)1 (5 . 02DQDSS(0.950.64)II0.310.228.1DQDQGSQDSImAImAUVUV 由于应不大于所

18、以低频小信号模型 gm是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。 rds是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十几百千欧之间。通常 rds可视为开路。dsdsgsmdUrUgI1将输出回路只等效为一个受控电流源。场效应管的交流低频小信号模型sdg.UgsgmUgsMOS管简化交流等效模型mDO DQGS(th)2gIIUDQDSSoffGSmIIUg)(2耗尽型（结型）：增强型：Q点不仅影响电路是否失真,还影响动态参数。可以证明：微变等效电路/OdLuigsmgsLmLgsLDLUI RAUUg U Rg RURRR （）共源放大电路 电压增益GiRR 输入电阻输出电阻DoRR 例33图3-14电路中令CS和RL开路，.1,10,2,2,100,30021mSgkRkRMRkRkRmDSGGG计算u、Ri和Ro图3-14解：先画出微变等效电路12/2.075iGGGRRRRMkR