模拟电子技术基础 第3章 场效应管及其基本.pdf

1 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 1 1 1 1 结型场效应管结型场效应管 3 3 3 3 2 2 2 2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 IGFET IGFET IGFET IGFET 3 3 3 3 3 3 3 3 场效应管的参数和小信号模型场效应管的参数和小信号模型 3 3 3 3 4 4 4 4 场效应管放大器场效应管放大器 2 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 1 1 1 1结型场效应管结型场效应管 JFET JFET JFET JFET 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管是利用半导体内的电场效应进行工 作的 也称为体内场效应器件 结型场效应管 Junction Field Effect Transistor 简称 JFET 有N沟道JFET和P沟道JFET之分 图3 1给出 了JFET的结构示意图及其表示符号 3 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 b D S G P 型 沟 道 NN D G S a D S G N 型 沟 道 PP D G S 图3 1结型场效应管的结构示意图及其表示符号 a N沟道JFET b P沟道JFET 4 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 N沟道JFET N型半导体棒两侧掺杂成两个P 型 区 形成两个PN结 两个P 区接成栅极 Gate N 区的一端称为源极 Source 发送电子 另一端称为 漏极 Drain 接收电子 源极和漏极可以互换 如图3 2所示 D S间加正向电压UDS G S间加反向 电压UGS 在 UDS作 用 下 电 子 从 S D 形 成 ID 而 UGS 0 PN结反偏 IG 0 所以IS ID 当UGS PN结变厚 导电沟道变窄 沟道电导率 电阻 在UDS一定时 ID 当UGS 到一定值时 沟 道全部消失 ID 0 此时的UGS称为夹断电压 夹断电压 记为UGsoff 5 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 UGS的变化 将有效地控制漏极电流的变化 这就是JFET最 重要的工作原理 图3 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变 窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 N D G S a PP UDS ID IDSS 最大 D S b PP UDS ID减小 UGS D S c PP UDS UGS ID 0 6 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 1 1 1 1 2 2 2 2结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 一 转移特性曲线一 转移特性曲线 定义 在UDS一定时 uGS对iD的控制作用 即 理论分析和实测结果表明 iD与uGS符合平方律关系 即 2 1 GSoff GS DSSD U u Ii 3 2 3 1 常数 DS UGSD ufi 式中 IDSS 饱和电流 表示uGS 0时的iD值 UGSoff 夹断电压 表示uGS UGSoff时iD为零 转移特性曲线如图3 3 a 所示 7 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 在N沟道JFET中 PN结必须反偏 即uGS 9 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 uGS对iD上升的斜率影响较大 在这一区域内 JFET可看作 一个受uGS控制的可变电阻 即漏 源电阻rDS f uGS 故称 为可变电阻区 2 恒流区 放大区 饱和区 此时JFET工作于放大状态 其主要特征 当UGSoff UGS时 沟道被全部夹断 iD 0 场效应管截止 4 击穿区 uDS uDG 当uDG达到U BR DSO时 靠近D区的PN结 被击穿 iD迅速上升 uGS越负 达到击穿所需的UDS越小 D G S a UDS ID 0 UGS D G S b UDS UGS 沟道局部夹断 ID IDSS PPPP 图3 4 uDS对导电沟道的影响 11 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 2 2 2 2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 IGFET IGFET IGFET IGFET 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构 如图3 5所示 其中图 a 为立体结构示意图 图 b 为平面结构示意图 绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行 工作的 也称为表面场效应器件 IGFET也有N沟道和P 沟道两类 其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种 12 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 a 源极栅极漏极 氧化层 SiO 2 B W P型衬底 N N L 耗 尽 层 A1 S GD 图3 5绝缘栅 金属 氧化物 半导体 场效应管结构示意图 a 立体图 b 剖面图 SGD N N P型硅衬底 绝缘层 SiO2 衬底引线B b 半导体 13 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2N N N N沟道增强型 沟道增强型 E NMOSFETE NMOSFETE NMOSFETE NMOSFET MOSFET MOSFET MOSFET MOSFET EnhancementNMOSFETEnhancementNMOSFETEnhancementNMOSFETEnhancementNMOSFET 一 导电沟道的形成及工作原理一 导电沟道的形成及工作原理 如图3 6所示 若将S与B相连并接地 在G S之间加正 压UGS 在D S之间施加正压UDS 分析uGS变化时管子的工 作情况 当uGS 0时 P型衬底将两个N 区隔开 形成两个背靠背的 PN结 电流ID为零 相当于关断状态 当uGS 0 但较小时 在绝缘层中 产生由G指向衬底的电场 排斥P型衬底的多子空穴 吸引少子电子 当uGS大于某一门限值 称为开启电压UGSth 时 这些电子在P型硅表面形成一个N型薄 层 称为 反型层 14 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 B a N UGS UDS N PN结 耗尽层 P型衬底 图3 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 B b N UDS 导电沟道 P型衬底 UGS N D G S c B 这个反型层将S区和D区连在一起 形成了沿表面的导电沟道 此时 当在D S间加正向电压UDS时 在D S间形成电流iD 而 G与沟道间有绝缘层 所以iG 0 uGS越大 沟道越宽 沟道电阻越小 iD越大 15 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二 转移特性二 转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图3 7所示 其主要特点为 1 当uGSUGSth时 iD 0 uGS iD 二者符合平 方律关系 即 2 2 GSthGS oxn D Uu L WCu i 3 4 图3 7 E NMOSFET的转移特性 16 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 式中 UGSth 开启电压 或阈值电压 n 沟道电子运动的迁移率 Cox 单位面积栅极电容 W 沟道宽度 L 沟道长度 见图3 5 a W L MOS管的宽长比 在MOS集成电路设计中 宽长比是一个极为重要 的参数 17 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 三 输出特性三 输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图3 8所示 也分为恒流区 可变电阻区 截止区和击穿区 其特点为 1 截止区 UGS UGSth 导电沟道未形成 iD 0 2 恒流区 曲线间隔均匀 uGS对iD控制能力强 uDS对iD的控制能力弱 曲线平坦 进入恒流区的条件 即预夹断条件为 GSthGSDS UUU 3 5 18 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 iD 0 u DS UGS 6V 截止区 4V 3V 2V 5V 可 变 电 阻 区 a 恒 流 区 区 穿 击 图3 8输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 19 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图3 8输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 uDS iD 0 UGS UA 厄尔利电压 b 20 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 沟道调制系数 厄尔利电压UA 如图3 8 b 所示 的 倒数 即 1 1 A U 反映uDS对沟道及iD的影响 曲线越平坦 越大 越小 A U 考虑uDS对iD的微弱影响后恒流区的电流方程为 DSGSthGS oxn D uUu L WC i 1 2 2 但 1 则 2 2 GSthGS oxn D Uu L WC i 21 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 B UDS 预夹断 P型衬底 UGS N N 图3 9 uDS增大 沟道被局部 夹断 预夹断 情况 22 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 可变电阻区 可变电阻区的电流方程为 2 2 2 DS DSGSthGS oxn D uuUu L WCu i 3 8 可见 当uDS 0就有iD电流 且uGS iD 当uGSuGSth时 导电沟道才形成 iD 0 30 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 输入电阻输入电阻R R R RGS GSGSGS 对结型场效应管 RGS在108 1012 之间 对MOS管 RGS在1010 1015 之间 通常认为RGS 二 极限参数二 极限参数 1 栅源击穿电压U BR GSO 2 漏源击穿电压U BR DSO 3 最大功耗PDM PDM ID UDS 31 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 三 交流参数三 交流参数 1 1 1 1 跨导跨导g g g gm mmm 定义 Vm du di g Cu GS D m DS 3 13 大小反映uGS对iD的控制能力的强弱 相当于转移特 性曲线上工作点的斜率 gm求法 1 对JFET和耗尽型MOS管 电流方程为 2 1 GSoff GS DSSD U u Ii 32 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 DSS DQ GSoff DSS GSoff GS GSoff DSS Q GS D m I I U I U u U I du di g 2 1 3 14 则对应工作点Q的gm为 2 对增强型MOSFET 其电流方程为 2 2 GSthgs oxn D Uu L WCu i 式中 IDQ为直流工作点电流 可见IDQ gm 则对应工作点Q的gm为 DQ oxn m I L WCu g 2 3 15 表明 增大场效应管的宽长比和工作电流 可以提高gm 33 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 2 2 2 2 输出电阻输出电阻r r r r ds ds ds ds DQ A ds I U r 3 17 在恒流区 3 16 GSQ D DS ds udi du r 式中UA为厄尔利电压 IDQ为直流工作点电流 UA很大 rds也很大 34 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 DS ds GSmDS DS D GS GS D D du r dugdu u i du u i di 1 所以 3 19 3 18 因为 DSGSD uufi 以正弦复数值表示为 ds ds gsmd U r UgI 1 此式模型如图3 13 a 所示 通常rds较大 则 gsmd UgI 此式的模型如图3 13 b 所示 35 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 rds a gmUgs Uds Id D S b gmUgs Uo Id D S 图3 13 场效应管低频小信号简化模型 36 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 4 4 4 4 场效应管放大器场效应管放大器 3 3 3 3 4 4 4 4 1 1 1 1场效应管偏置电路场效应管偏置电路 静态工作点的设置对放大器的性能至关重要 由于JFET与耗尽型MOS场效应管uGS 0时 iD 0 故 图3 14 a 所示采用自偏压方式 对于增强型MOSFET 一定要采用图3 14 b 所示分压 式偏置或混合偏置方式 确定直流工作点方法 图解法 是解析法 37 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图3 14场效应管偏置方式 a 自偏压方式 b 混合偏置方式 RD UDD RS 自偏压 电阻 ui RG V a RD UDD RS 自偏压 电阻 ui RG2 b RG1 分压式 偏置 38 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 一 图解法一 图解法 N沟道场效应管的转移特性如图3 15所示 1 自偏压方式 栅源回路直流负载线方程为 SDGS Riu 3 22 在转移特性坐标上画出该负载线方程如图3 15 a 所示 分别求出JFET的工作点为Q1点 耗尽型 MOSFET的工作点为Q2点 而与增强型MOSFET转移 特性则无交点 39 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图3 15图解法求直流工作点 a 自偏压方式 b 混合偏置方式 iD uGS0 a Q1Q2 iD uGS0 b Q1 Q2 Q2 Q3 Q3 RS 1 RS 1 RG1 RG2 RG2 UDD JFET转移特性曲线 NDMOSFET转移特性曲线 NEMOSFET转移特性曲线 40 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 2 混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程为 SDDD GG G GS RiU RR R u 21 2 3 23 画出该负载线如图3 15 b 所示 对于三种不同类 型的场效应管的工作点分别为Q 1 Q 2及Q3 这里 要特别注意的是 对JFET RG2过大 或RS太小 都 会导致工作点不合适 如图3 15 b 虚线所示 41 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二 解析法二 解析法 已知电流方程及栅源直流负载线方程 联立求解 即可求得工作点 例如 SDGS GSoff GS DSSD Riu U U Ii 2 1 3 24a 3 24b 将式 3 24b 代入式 3 24a 解一个iD的二次方 程 有两个根 舍去不合理的一个根 留下合理的 一个根便是IDQ 场效应管放大器的工作点应设在恒流区 42 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 4 4 4 4 2 2 2 2场效应管放大器分析场效应管放大器分析 场效应管放大器有共源 共漏 共栅等三种基本 组态电路 一 共源放大器一 共源放大器 电路如图3 16 a 所示 其低频小信号等效电路如 图3 16 b 所示 Au LCm i o u LCdsgsmo gs RRg U U A RRrgU U UUi 43 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 Ui C2 C1 RD RG1 RS UDD 20V RG2 150k 50k 2k 10k RL 1M a Uo RG31M C3 图3 16共源放大器电路及其低频小信号等效电路 a 电路 b 低频小信号等效电路 44 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图3 16共源放大器电路及其低频小信号等效电路 a 电路 b 低频小信号等效电路 rds D S Uo RDRL Ui G RG3 RG2RG1 b g m Ugs 45 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 Ro Ri 3 27 DdsDo RrRR 3 28 213GGGi RRRR 例例 场效应管放大器电路如图3 18 a 所示 已知工 作点的gm 5mA V 试画出低频小信号等效电路 并计 算增益Au 解解 1 该电路的小信号等效电路如图3 18 b 所示 2 输出电压 而 LDdo RRIU i Sm m dSdimGSmd U Rg g IRIUgUgI 1 1 1 46 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 8 1 1 LD Sm m i o u RR Rg g U U A 47 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二 共漏放大器二 共漏放大器 电路及等效电路如图3 19所示 而 所以 Au LdLSdo RIRRIU i Lm m dLdimLSdimGSmd U Rg g IRIUgRRIUgUgI 1 1 Lm Lm i o u Rg Rg U U A 48 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 C2 C1 RG1 RS UDD RG2 150k 50k 2k RL 10k a Uo RG3 1M Ui gm 2mA V 图3 19共漏电路及其等效电路 a 电路 b 等效电路 Uo RLRS S D Id b gmUgs gm Ui Id RS RL 49 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 Ro 等效电路如图3 20所示 m So g RR 1 C1 RG1 RS UDD a RG2 Ro Io Uo 图3 20计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 RS b IS Io gmUgs gm Uo Uo Ro I S R 50 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 三 共栅放大器 自行分析 Ri 213GGGi RRRR 51 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 3 3 3 3 4 4 4 4 3 3 3 3若干问题的讨论若干问题的讨论 一 晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多一 晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多 晶体管的电流iC与发射结电压uBE成指数关系 而 场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系 跨导 表示转移特性的斜率 显然 双极型晶体管的跨导比 场效应管的跨导要大得多 52 第第3 3 3 3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 DSS DQ GSoff DSS m DQ oxnn Q GS D m GSthGS oxn D T CQ e Q