第5章场效应管及其基本放大电路

第5章场效应管及其基本放大电路

主要内容：

第5章场效应管及其基本放大电路

5.2场效应管基本放大电路5.1场效应管

5.1场效应管FieldEffectTransistor复习思考题：三极管的结构有哪些特点，实现放大的条件是什么？BJT是一种电流控制元件(iB~

iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。只有一种载流子参与导电，且利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。FET分类：

绝缘栅场效应管结型场效应管增强型耗尽型P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道DSGN符号5.1.1结型场效应管（N沟道）图

N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。Source(Grid)(Drain)P沟道场效应管图P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSD

P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS1.结型场效应管的工作原理

N沟道结型场效应管用改变uGS

大小来控制漏极电流iD

的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流iD

减小，反之，漏极iD

电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。

(1).设uDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改变VGG大小。观察耗尽层的变化。iD=0GDSN型沟道P+P+

(a)

uGS=0uGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽uGS

由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当uGS=UGS(off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压为负值。iD=0GDSP+P+N型沟道

(b)UGS(off)<uGS<0VGGiD=0GDSP+P+

(c)

uGS=UGS(off)VGG

uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？如果g-s间加正向电压如何？思考题：(2)当uGS

为UGS(Off)∽0V中某一个固定值时，uDS

对漏极电流iD的影响。若uDS=0V，有导电沟道，但是多子不产生定向移动，漏极电流iD为零。若uDS>0V,则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层比靠近源极一边的宽。当uGS

为UGS(Off)∽0V中某一个固定值时:uGD>UGS（off）uGS＞UGS（off）且不变，iDD随uGS增大线性增大，D-S间呈现电阻特性。靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。只要栅-漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅-源电压uDS.uGD＝UGS（off）预夹断场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGD<UGS（off）夹断区变长，uDS的增大几乎全部降落在夹断区。从外部看，iD几乎不变，即iD几乎仅仅决定于uGS表现出iD的恒流作用。uGD<UGS（off）（3）当uGD<UGS（off）时，uGS对iD的控制作用确定确定确定漏极电流受到栅-源电压控制，故称场效应管为电压控制元件。思考：为什么是结型？低频跨导夹断与预夹断的区别：夹断：预夹断时：预夹断前：预夹断后：小结受控于直至受影响则先增随后近似不变。以预夹断状态为分界线：前：后：不变2.结型场效应管的特性曲线(1).输出特性

（a）

uGS＝0（b）栅源电压uGS改变图N沟道JFET的输出特性击穿特性：当uDS增大到一定程度时，漏极电流会骤然增大，管子将被击穿。由于这种击穿是因栅-漏间耗尽层破坏而造成的，因而若栅-源击穿电压为则漏-源击穿电压:输出特性可划分为4个区域。（1）可变电阻区（2）饱和区或恒流区（3）击穿区（4）夹断区：当uGS＜UGS(off)时，iD=0，称为夹断区，或称为截止区。(2).转移特性

当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立uGS，iD坐标系，连接各点所得的曲线就是转移特性曲线。VP漏极饱和电流。5.1.2.绝缘栅型场效应管InsulatedGageFieldEffectTransistor,Motal-Oxide-Semiconductor由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。1.N沟道增强型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图

N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图N沟道P沟道(1)工作原理绝缘栅场效应管利用uGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流iD。通过改变加在绝缘层上的电压（栅-源电压）的大小来改变导电沟道的宽度，进而改变沟道电阻的大小，以达到控制漏极电流的目的。uGS

控制漏极电流iD。工作原理分析uDS=0,uDS

>0,由于SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。当栅源之间不加电压时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。(夹断区）iD=0SBDSiO2绝缘层耗尽层空穴高掺杂电子，反型层大到一定值才开启耗尽层衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成反型层。D-S间的导电沟道开启电压UGS(th):使沟道刚刚形成的栅源电压uDS

对导电沟道的影响(uGS

>UGS(th))导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流iD。a.uDS<uGS–UGS(th)，即uGD=uGS–uDS>UGS(th)

iD随uDS的增大而增大，可变电阻区b.uDS=uGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。

uGD＝UGS（th）,预夹断刚出现夹断c.uDS

>uGS–uT，

uGD<UGS(th)由于夹断区的沟道电阻很大，uDS

逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD

因而基本不变。

iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图

uDS

对导电沟道的影响(a)

uGD>UGS(th)(b)

uGD=UGS(th)(c)

uGD<UGS(th)(3).特性曲线与电流方程(a)转移特性uGS<UGS(th)，iD=0；

uGS

≥

UGS(th)，形成导电沟道，随着uGS

的增加，iD

逐渐增大。(当uGS

>UGS(th)

时)UGS(th)2UGS(th)IDOUGS/VID/mAO图(a)(b)输出特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。图(b)2.N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使uGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

uGS=0，uDS>0，产生较大的漏极电流；

uGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD

减小；

uGS=-UGS(off),感应电荷被“耗尽”，iD

0。UGS(off)

称为夹断电压SGDBSGDBN型P型

uGS=-UGS(off),感应电荷被“耗尽”，iD

0。3.P沟道耗尽型MOS场效应管NPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道BB种类符号转移特性漏极特性

结型N沟道

结型P沟道

绝缘栅型

N沟道增强型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+5.1.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UGS(off)3.开启电压UGS(th)4.直流输入电阻RGS(DC)为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压UGS

对漏极电流ID

的控制作用。单位：ID毫安(mA)；UGS

伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。

增强型MOS管的基本工作原理：在栅极电压作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。在漏极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。改变栅极电压，控制导电沟道的导电能力，使漏极电流发生变化。与JFET相比，两者结构不同，产生沟道的方式不同。但都是利用沟道导电，且外特性都表现为栅源电压控制漏极电流。综上分析可知5.1.4场效应管与晶体管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管单极型场效应管载流子多子扩散少子漂移少子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上噪声较大较小静电影响不受静电影响易受静电影响制造工艺不宜大规模集成适宜大规模和超大规模集成

三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：输出电阻：3.三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法：5.2场效应管基本放大电路共源电路共栅电路共漏电路图结型场效应管放大电路的三种接法5.2.1场效应管放大电路静态工作点的设置根据各种场效应管的转移特性和输出特性，在栅-源回路和漏-