模拟电子技术（张学军）第3章 场效应管及其基本.ppt

1 第3章场效应晶体管及其放大电路 3 1场效应晶体管3 2场效应管工作状态分析及其偏置电路3 3场效应管放大电路 2 3 1场效应晶体管 3 1 1结型场效应管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 JunctionFieldEffectTransistor 简称JFET 有N沟道JFET和P沟道JFET之分 图3 1 1给出了JFET的结构示意图及其表示符号 3 图3 1 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 一 结型场效应管的结构 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 4 如图3 1 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 记为UGsoff 二 结型场效应管的工作原理 5 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 1 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 6 三 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 3 1 1 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 1 4 a 所示 7 在N沟道JFET中 PN结必须反偏 即uGS 0 图3 1 4JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 8 二 输出特性曲线定义 在UGS一定时 iD与uDS的关系 即 输出特性曲线分为四个区域 1 可变电阻区 当uDS很小时 uDS iD 近似线性增大 当uDS较大时 靠近D极的导电沟道逐渐变窄 沟道电阻 两个PN结的耗尽区向外扩展到开始相遇 如图3 1 3所示 这种状态称为 预夹断 ID随uDS而增大的速率减慢 出现预夹断的条件为 9 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 0时 iD与uGS关系符合式 3 1 1 uGS对iD控制能力很强 当UGS一定时 uDS iD 但变化很小 说明uDS对iD的控制能力很弱 此时 uDS主要降在局部夹断区 10 3 截止区 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 图3 1 3uDS对导电沟道的影响 11 3 1 2绝缘栅场效应管 IGFET 一 N沟增强型MOSFET E NMOSFET EnhancementNMOSFET 1 N沟增强型MOSFET的结构如图3 1 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 InsulatedGateFieldEffectTransistor 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 图3 1 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 13 2 导电沟道的形成及工作原理如图3 1 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 图3 1 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 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 3 转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图3 1 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 3 4 图3 1 7E NMOSFET的转移特性 16 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 1 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 4 输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图3 1 9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 3 5 18 图3 1 9输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 19 图3 1 9输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 20 沟道调制系数 厄尔利电压UA 如图3 1 9 b 所示 的倒数 即 反映uDS对沟道及iD的影响 曲线越平坦 越大 越小 考虑uDS对iD的微弱影响后恒流区的电流方程为 但 1 则 21 图3 1 8uDS增大 沟道被局部 夹断 预夹断 情况 22 3 可变电阻区 可变电阻区的电流方程为 3 8 可见 当uDS uGS UGSth 时 即预夹断前 那么 可变电阻区的输出电阻rDS为 表明 uGS越大 rDS越小 体现了可变电阻的特性 23 二 N沟耗尽型MOSFET DepletionNMOSFET 耗尽型在uGS 0时就存在导电沟道 称原始导电沟道 只要uDS 0就有iD电流 且uGS iD 当uGS 0时 iD 当uGS UGSoff时 iD 0 管子进入截止状态 N沟耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图3 1 10 a b c 所示 24 25 耗尽型NMOSFET的电流方程为 式中 3 1 6 IDSS表示uGS 0时所对应的漏极电流 3 1 7 26 3 1 3场效应管的参数 一 直流参数1 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 1 饱和漏极电流IDSS ID0 IDSS指对应uGS 0时的ID 2 夹断电压UGSoff 使得iD 0时的uGS值 2 增强型MOSFET的主要参数开启电压UGSth 当uGS uGSth时 导电沟道才形成 iD 0 27 3 输入电阻RGS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 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 28 三 交流参数1 跨导gm定义 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 29 2 对增强型MOSFET 其电流方程为 式中 IDQ为直流工作点电流 可见IDQ gm 表明 增大场效应管的宽长比和工作电流 可以提高gm 30 2 输出电阻rds 3 17 在恒流区 3 16 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 31 3 2场效应管工作状态分析及其偏置电路 3 2 1场效应管工作状态分析预夹断 靠近漏极处刚刚出现夹断 出现预夹断前为可变电阻区 出现预夹断后为恒流区 预夹断条件 N沟道UGDUGSoff 或UGSth 完全夹断 靠近源极处也出现夹断 预夹断与完全夹断之间为恒流区 完全夹断后为截止区 完全夹断条件 JFET和耗尽型IGFET UGS UGSoff 增强型IGFETN沟道UGSUGSth 32 图3 2 1各种场效应管的转移特性和输出特性对比 a 转移特性 b 输出特性 33 图3 2 1各种场效应管的转移特性和输出特性对比 a 转移特性 b 输出特性 34 例3 2 1判断图3 2 2所示的场效应管电路 管子的IDSS 3mA UGSoff 5V 管子工作在什么区间 图3 2 2场效应管电路 解 管子为N沟道JFET 判断是否工作在截止区 UGSQ 2V UGSoff 5V 靠近源极处的沟道没有夹断 因此管子没有工作在截止区 判断靠近漏极处的沟道是否夹断 假设管子工作在恒流区 求出电流iD 35 根据输出回路方程可以求出UDS 因此可得UGD UGS UDS 2 6 436 8 436V 在假设条件下得出的结论是UGD UGsoff 说明靠近漏极处的沟道被夹断 管子进入恒流区 结论 管子工作在恒流区 36 3 2 2场效应管的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 2 3 a 所示采用自偏压电路 对于增强型MOSFET 一定要采用图3 2 3 b 所示分压式偏置电路 确定直流工作点方法 图解法 解析法 37 图3 2 3场效应管偏置电路 a 自偏压电路 b 分压偏置电路 38 一 图解法N沟道场效应管的转移特性如图3 2 4所示 1 自偏压电路 栅源回路直流负载线方程为 3 22 在转移特性坐标上画出该负载线方程如图3 2 4 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 图3 2 4图解法求直流工作点 a 自偏压方式 b 混合偏置方式 JFET转移特性曲线 NDMOSFET转移特性曲线 NEMOSFET转移特性曲线 40 2 分压式偏置电路 栅源回路直流负载线方程为 3 23 画出该负载线如图3 2 4 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 2 4 b 虚线所示 41 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 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 3 3 1场效应管的低频小信号模型 以正弦复数值表示为 此式模型如图3 3 1所示 通常rds较大 则 3 3场效应管放大电路 43 图3 3 1场效应管低频小信号简化模型 44 3 3 2场效应管放大电路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 共源放大电路电路如图3 3 2 a 所示 其低频小信号等效电路如图3 3 2 b 所示 Au 45 图3 3 2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 46 图3 3 2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 47 Ro Ri 3 27 3 28 例场效应管放大器电路