第五章场效应管放大电路

第五章场效应管放大电路第一页，共59页。

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。

参与导电的载流子来划分:电子作为载流子的N沟道器件空穴作为载流子的P沟道器件第二页，共59页。P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：第三页，共59页。场效应管的特点：1.单极型器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、

体积小、成本低2.输入电阻高

(1071015，MOS可高达1015)第四页，共59页。5.1金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET管)

绝缘栅型场效应管IGFET又称金属氧化物场效应管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET):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109。耗尽型：

存在导电沟道，增强型：

没有导电沟道，第五页，共59页。1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极G—栅极D—漏极SGDB一、增强型N沟道MOSFET箭头表示由P指向N第六页，共59页。结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox

：绝缘层厚度通常W>L第七页，共59页。2.工作原理1)VGS

对导电沟道的影响

(VDS=0)a.

当VGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；VGS=0，ID=0b.

当0<VGS<VGS(th)(开启电压VT)时，GB间的垂直电场吸引P区中电子排斥空穴形成耗尽层；IDc.

当VGS

VT

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。VGS

越大沟道越宽。在漏源电压VDS作用下,有漏极电流ID产生.VGS越大，导电沟道越宽，iD越大。第八页，共59页。VGS

对导电沟道的影响

(动画)第九页，共59页。2)

VDS

对

iD的影响(VGS>VT)（a）如果VGS＞VT且固定为某一值，VGD=VGS－VDSVDS为0或较小时，VGD=VGS－VDS

＞VT，沟道分布如图，此时VDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。AVDSID（b）当VDS增加到使VGD=VT时，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。第十页，共59页。VDSID不变（c）当VDS增加到使VGDVT时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变第十一页，共59页。VDS

对

iD的影响

(动画)第十二页，共59页。3.

V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。第十三页，共59页。②可变电阻区

vDS≤（vGS－VT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子Kn为电导常数，单位：mA/V2第十四页，共59页。③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iDV-I特性：第十五页，共59页。（2）转移特性第十六页，共59页。二N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流第十七页，共59页。2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）夹断电压饱和漏极电流第十八页，共59页。三P沟道MOSFET第十九页，共59页。四沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L为沟道长度，单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后

沟道长度调制参数第二十页，共59页。五MOSFET的主要参数直流参数NMOS增强型1.开启电压VT

（增强型参数）2.夹断电压VP

（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS

（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS

（109Ω～1015Ω

）交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

第二十一页，共59页。2.低频互导gm

考虑到则其中转移特性曲线斜率第二十二页，共59页。极限参数1.最大漏极电流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源电压V（BR）DS

4.最大栅源电压V（BR）GS

第二十三页，共59页。绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P

沟道第二十四页，共59页。§5.2结型场效应管JFET一.结型场效应管的结构和工作原理1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET载流子通过漏源两极的路径,为导电沟道栅结正偏时,栅极电流由PN第二十五页，共59页。VGS控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。2.工作原理（以N沟道JFET为例）①VGS对iD的控制作用(a)VGS＜0,VDS=0

当VGS＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，VGS更负，沟道更窄,沟道电阻更大；直至沟道被夹断。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。(ｂ)VP

＜

VGS＜0,VDS＞0|VGS|沟道电阻ID对于N沟道的JFET，VP<0第二十六页，共59页。VDS>0,|VGS-VDS|<|VP|

，时②漏源电压VDS对iD的影响VDSID(b)VGD=VGS-VDS=VP导电沟道沟道被夹断,此时称为预夹断。产生阻碍ID提高的因素。VGS=0时，产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS

(C)当VDS继续增加时,预夹断点向源极方向伸长,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将载流子电子拉过夹断区，形成漏极电流,ID趋于饱和。(a)VDS增加第二十七页，共59页。综上分析可知

沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，

所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因

此iG0，输入电阻很高。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？第二十八页，共59页。二.JFET的特性曲线及参数1.输出特性饱和区：第二十九页，共59页。2.转移特性IDSSVP第三十页，共59页。与MOSFET类似3.主要参数第三十一页，共59页。结型场效应管的特性小结结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型第三十二页，共59页。双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管场效应三极管结构NPN型PNP型结型(耗尽型)N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成第三十三页，共59页。5.3场效应管放大电路一.偏置电路及静态分析1.直流偏置电路1)自偏压电路(仅适合耗尽型)Rg将0电位引向g点,VGS=0时,有偏电流流过VGS=-IDRS第三十四页，共59页。2)分压式电路(全适用)VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDR调整电阻的大小，可获得：UGS>0UGS=0UGS<0第三十五页，共59页。（1）简单的共源极放大电路（N沟道）直流通路共源极放大电路2.静态工作点的确立(VGS,ID,VDS)第三十六页，共59页。（1）简单的共源极放大电路（N沟道）假设工作在饱和区，即验证是否满足如果不满足，则说明假设错误须满足VGS>VT

，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即第三十七页，共59页。假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，第三十八页，共59页。（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足第三十九页，共59页。二图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同第四十页，共59页。三.FET放大电路小信号分析法1.FET的小信号模型低频模型第四十一页，共59页。2.用小信号分析FET放大电路三极管与场效应管三种组态对照表：第四十二页，共59页。①电压放大倍数(无CS时)②输入电阻

③输出电阻1)共源极放大电路第四十三页，共59页。RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsidii有CS时:第四十四页，共59页。解：例5.2.2的直流分析已求得：（例5.2.5）s第四十五页，共59页。放大电路分析s第四十六页，共59页。2)共漏极放大电路第四十七页，共59页。Vs=0TIT第四十八页，共59页。放大电路分析共漏例5.2.6第四十九页，共59页。第五十页，共59页。3)共栅极放大电路+Vi_+Vo_RRdvDDgs+Vi_+Vo_RRdgsddRo≈Rd第五十一页，共59页。动态分析：Ri=Rg=10MRi2=rbe2+(1+)Re1=37.1kRi3=rbe3+(1+)Re3//RL=156k+vi-Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC