模电课件 4场效应管

第4章场效应管放大电路本章主要内容：本章介绍场效应管的结构、工作原理，以及场效应管放大电路的构成、场效应管三种组态放大电路的基本方法和特性。4.1单极型晶体管概述4.2结型场效应管（JFET）4.3绝缘栅场效应管（JFET）4.4N沟道耗尽型MOS管4.5各种场效应管特性比较及其注意事项4.6场效应管放大器及其静态分析4.7场效应管的微变等效电路分析法4.1单极型晶体管概述三极管(BJT)电流控制器件（基极电流）输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子均参与导电）噪声高场效应管(FieldEffectTransistor)电压控制器件（栅、源极间电压）输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小缺点是速度慢（∵有寄生电容效应）场效应管（和三极管相比）：优点多、应用广泛4.2结型场效应管（JFET）FET分类结型场效应管JFET（按导电沟道类型）P沟道N沟道绝缘栅型场效应管MOSFET耗尽型(按导电沟道形成机理)增强型P沟道N沟道P沟道N沟道按基本结构

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PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极（gate），在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s（source）和漏极d（drain）。N沟道结型场效应管dP+P+Ngs耗尽层三个区域：一个N区，两个P+区三个电极：源极s，漏极d，栅极g一个导电沟道：N型电路符号dgs箭头方向：栅结正偏时栅极电流的方向（P沟道？）JFET结构（P沟道）P沟道结型场效应管dN+N+Pgs耗尽层三个区域：一个P区，两个N+区三个电极：源极s，漏极d，栅极g一个导电沟道：P型电路符号箭头方向：dgs工作原理（1、2）dP+P+Ngs外部工作条件

vGS为负值

vDS为正值

vGS对iD的控制作用为便于讨论，先假设漏－源极间所加的电压vDS=0(a)当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小。(b)当vGS＜0时，PN结反偏，沟道变窄，其电阻增大。(c)当vGS进一步减小到一定程度（vGS≤VP），沟道消失，失去导电能力。全夹断工作原理（3）

vDS对iD的影响（假设vGS值固定，且VP<vGS<0）dP+P+NgsVGGVDD(a)当漏源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。(b)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。(c)随着vDS的进一步增加，出现楔形沟道(d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS-vDS=VP(夹断电压)时，预夹断(e)继续增加，饱和，继而发生击穿书上图4.2.4VDD极性接反综上分析，可得出以下结论：1、JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此栅极电流为零。2、JFET是电压控制电流器件，iD受vGS的控制3、预夹断前，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加，预夹断后，iD趋于饱和。#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？VP1.输出特性饱和区线性放大区VGS<Vp截止区场效应管的输入电流iG≈0，输入特性无意义，故用输出特性和转移特性描述伏安特性（本质为同一个物理过程）。JFET特性曲线2.转移特性3.电流方程在图示电路中，已知场效应管的；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？（b）（c）（a）例题GDS解（a）因为vGS<VP管子工作在截止区。（b）因管子工作在放大区。

（c）因管子工作在可变电阻区。

(1)夹断电压VP：(2)饱和漏极电流IDSS

（也称为零偏漏极电流）(3)

跨导gm

也称为互导。其定义为：当管子工作在放大区时，由于求解管子的跨导JFET主要参数(5)直流输入电阻RGS：(4)输出电阻rd：

(6)最大漏源电压V(BR)DSJFET发生击穿时对应的漏源电压(7)最大栅源电压V(BR)GS当栅源电压增大，栅极与沟道的PN结反向击穿，栅极电流急剧上升时的栅源电压JFET主要参数JFET的极限参数，当漏极功耗超过最大漏极功耗PDM时，管子发热，温度过高导致器件损坏。(8)最大漏极功耗PDMJFET主要参数作业：4.2.14.3绝缘栅场效应管一、N沟道增强型MOSFET(E型NMOS)二、N沟道耗尽型MOSFET(D型NMOS)结构与符号工作原理结构与符号工作原理

特性曲线三、主要参数金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET结构与符号（N沟道增强型）PN+sgdN+半导体Semiconductor氧化物Oxide(SiO2)金属Metal(Al)gsdBNP+sgdP+符号gsdBMOSFET结构与符号（P沟道增强）PN+SGDN+MOSFET工作原理1–++–与JFET相似，MOSFET的工作原理同样表现在：栅压vGS对沟道导电能力的控制，漏源电压vDS对漏极电流的影响。PN+SGDN+–++–(1)vGS对沟道的控制作用

当vGS=0时，漏源极间是两个背靠背的PN结，无论漏源极间如何施加电压，总有一个PN结处于零偏或反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，尤其当vDS大于零时，电阻值高达1012Ω数量级，将不会有漏电流出现，iD≈0。MOSFET工作原理2PN+SGDN+–++–(1)vGS对沟道的控制作用,vDS=0外加vGS>0时，SiO2绝缘层上产生电场。方向垂直于半导体表面，由栅极指向衬底。该电场排斥空穴、吸引电子。在vGS较小的情况下形成耗尽层。电场排斥空穴形成耗尽层MOSFET工作原理3PN+SGDN+–++–(1)vGS对沟道的控制作用,vDS=0vGS继续增大将P衬底的电子吸引到表面，形成一个N型薄层，反型层，形成导电沟道出现反型层且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道。开启电压，VTMOSFET工作原理4(1)vGS对沟道的控制作用,vDS=0vGS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。PN+SGDN+–++–导电沟道增厚沟道电阻减小MOSFET工作原理5(2)vDS对iD的影响当vGS>VT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。PN+SGDN+–++–当在漏源之间施加正向电压vDS>0，且vDS较小时，将产生漏极电流iD。iDiDMOSFET工作原理6(2)vDS对iD的影响，PN+SGDN+–++–漏极电流iD沿沟道形成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、沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而沟道最薄。iDiDvGS>VT为定值沿沟道有电位梯度vDSMOSFET工作原理7(2)vDS对iD的影响，PN+SGDN+–++–漏极电流iD沿沟道形成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、沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而沟道最薄。iDiDvGS>VT为定值沿沟道有电位梯度vDSMOSFET工作原理7MOSFET特性曲线1MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述输出特性转移特性输出特性描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流iD与漏源电压vDS之间的关系。输出特性曲线也分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。++––输出特性：10202406可变电阻区放大（饱和）区截止区击穿区MOSFET特性曲线2(1)

可变电阻区a.vDS较小，沟道尚未夹断b.vDS＜vGS-|VT|c.管子相当于受vGS控制的压控电阻输出特性24061020可变电阻区MOSFET特性曲线(2)

放大区(饱和区、恒流区)a.

沟道预夹断c.iD几乎与vDS无关d.

iD只受vGS的控制b.vDS>vGS-|VT|24061020放大区输出特性MOSFET特性曲线a.

vGS＜VT

(3)

截止区b.沟道完全夹断c.

iD=0240610201．输出特性截止区MOSFET的特性曲线024061020转移特性曲线输出特性曲线MOSFET的特性曲线4.4N沟道耗尽型MOSFET1).

耗尽型MOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层P耗尽型MOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟道消失，耗尽型NMOS截止；增强型MOS管在vGS≥VT时才出现导电沟道。耗尽型MOS管

1).

耗尽型MOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层PN沟道耗尽型MOS管表示符号P沟道耗尽型MOS管表示符号GSDGSDN沟道耗尽型MOSFET——结构符号

耗尽型MOS管

2).

耗尽型MOS管原理sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层P造成的原因是：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面已感应生成N沟道。只要加上正向电压vDS，就有电流iD。N沟道耗尽型MOSFET——工作原理N沟道耗尽型MOS管当vGS为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，仍用VP表示。2).

耗尽型MOS管原理sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层PN沟道耗尽型MOSFET——工作原理当vGS为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，仍用VP表示。耗尽型MOSFET在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。N沟道耗尽型MOSFET——工作原理、特点N沟道耗尽型MOSFET——特性在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即3).

耗尽型MOS管电流方程N沟道耗尽型MOSFET——特性漏极饱和电流4.6场效应管放大电路直流偏置电路静态工作点

FET小信号模型动态指标分析

三种基本放大电路的性能比较

4.6.1

FET的直流偏置及静态分析

4.6.2

FET放大电路的小信号模型分析法

MOSFET放大电路根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路共源极电路：栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。共栅极电路：源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。共漏极电路：栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。自偏压电路一.直流偏置电路固定偏压电路分压器式自偏压电路1、自偏压电路+_+__+_+自偏压原理：5.4.1FET的直流偏置电路及静态分析不适合增强型二.分压式自偏压电路调整电阻的大小可使UGSQ>0或UGSQ=0或UGSQ<0三.静态工作点Q点：VGS、ID、VDSvGS

=VDS=已知VP、IDSS，据电路VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q点的VGS、ID、VDS为栅偏压提供通路；泻放栅极积累电荷提供负栅偏压把iD

的变化

uDS