模电 第五版 康华光 part5

第5章场效应管放大电路模拟电子技术江苏科技大学电信学院第5章场效应管放大电路5.1

金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管5.2MOSFET放大电路5.3

结型场效应管(JFET)5.5

各种放大器件电路性能比较场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。概述

5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管按结构不同场效应管有两种:结型场效应管金属-氧化物-半导体场效应管本节仅介绍金属-氧化物-半导体场效应管按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分5.1

金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管漏极D栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。金属电极1)N沟道增强型管的结构栅极G源极S1.增强型绝缘栅场效应管SiO2绝缘层P型硅衬底

高掺杂N区GSD符号：由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达108。漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底

高掺杂N区由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。2）N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。

当栅源电压UGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SD2）N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

当UGS>0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。当UGS>UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。2）N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–N型导电沟道当UGS

UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏–源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。3）特性曲线有导电沟道转移特性曲线无导电沟道ID/mAUDS/V0UGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏极特性曲线可变电阻区恒流区截止区开启电压UGS(th）UDSUGS/N型衬底P+P+GSD符号：结构4)P沟道增强型SiO2绝缘层加电压才形成

P型导电沟道增强型场效应管只有当UGS

UGS(th）时才形成导电沟道。结构2.

耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：SiO2绝缘层中掺有正离子予埋了N型导电沟道如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。1)N沟道耗尽型管2.

耗尽型绝缘栅场效应管由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流ID产生。当UGS>0时，使导电沟道变宽，ID增大；当UGS<0时，使导电沟道变窄，ID减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。

这时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极电流。2)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线夹断电压耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。UGS(off)转移特性曲线0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常数UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏极特性曲线0ID/mA16201248121648IDSS2.

耗尽型绝缘栅场效应管3)P沟道耗尽型管N型衬底P+结构P+符号：GSD予埋了P型导电沟道SiO2绝缘层中掺有负离子耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型

N沟道P沟道3.场效应管的主要参数1)开启电压UGS(th)：是增强型MOS管的参数2)夹断电压UGS(off)：3)饱和漏电流IDSS：是结型和耗尽型MOS管的参数4)低频跨导gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。场效应管与晶体管的比较双极型三极管单极型场效应管电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很高

rds很高

输出电阻输入电阻较低较高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—CG—S—D5.2MOSFET放大电路

场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。1.自给偏压式偏置电路5.2MOSFET放大电路栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。UGS

=–RSIS

=–RSID+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGST为N沟道耗尽型场效应管增强型MOS管因UGS=0时，ID0，故不能采用自给偏压式电路。+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGS静态分析可以用估算法或图解法(

略)估算法：UGS

=–RSID将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;由UDS=

UDD–ID（RD+RS）解出UDS列出静态时的关系式对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS

+_UGS例：已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=–4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。解：用估算法UGS

=–1IDUDS=20

–2（3+1）=12V列出关系式解出UGS1=

–2V、UGS2=

–8V、ID1=2mA、ID2=8mA因UGS2<UGS(off)故舍去

，所求静态解为UGS=

–2VID=2mA、2.

分压式偏置电路1)

静态分析+–+UDDRSCSC2C1RG1RDRG2RG++–RLuiuo估算法：将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;由UDS=

UDD–ID（RD+RS）解出UDS列出静态时的关系式流过

RG的电流为零2)动态分析电压放大倍数RG1RDRG2RG+–RL+–SDGT交流通路输入电阻输出电阻

RG是为了提高输入电阻ri而设置的。3.源极输出器+UDDRSC2C1RG1RG2RG+–RLuiuo+–+RG1RSRG2RG+–RL+–SDGT+–交流通路电压放大倍数特点与晶体管的射极输出器一样当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：

场效应管可看作由栅源电压控制的可变电阻。UDS－1V－1.5VUGS=－0.5V0ID/mA16201248121648－2V－2.5V|UGS

|愈大，

RDS愈大。N沟道结型场效应管的转移特性应用举例：UiUo|UGS|RDSAuUo+UCC

放大器

整流滤波电路uoui5.3结型场效应管(JFET)1.结构2.工作原理

N沟道PN结N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。①栅源电压VGS对iD的控制作用

当VGS＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小；VGS更负，沟道更窄，ID更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，ID≈0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。②漏源电压VDS对iD的影响

在栅源间加电压VGS＞VP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

时，在紧靠漏极处出现预夹断点，随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。JFET工作原理

（动画2-9)（动画2-6）(3)伏安特性曲线①输出特性曲线恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：