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第四章场效应管放大电路 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 从参与导电的载流子来划分 它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件 1 4 1绝缘栅型场效应管 InsulatedGateFieldEffectTransister 绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管MOSFET MetalOxideSemiconductorFET 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 增强型 VGS 0时 漏源之间没有导电沟道 在VDS作用下无iD 耗尽型 VGS 0时 漏源之间有导电沟道 在VDS作用下iD 2 1 结构和符号 以N沟道增强型为例 N沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称 是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2薄膜绝缘层 然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区 从N型区引出电极作为D和S 在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为G D Drain 漏极 相当cG Gate 栅极 相当bS Source 源极 相当eB Substrate 衬底 3 2 工作原理 以N沟道增强型为例 a VGS 0时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 在D S之间加上电压 不管VDS极性如何 其中总有一个PN结反向 所以不存在导电沟道 VGS 0 ID 0VGS必须大于0管子才能工作 1 栅源电压VGS的控制作用 4 1 栅源电压VGS的控制作用 b 当栅极加有电压时 若0 VGS VGS th VT称为开启电压 时 在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场 排斥P区多子空穴而吸引少子电子 但由于电场强度有限 吸引到绝缘层的少子电子数量有限 不足以形成沟道 将漏极和源极沟通 所以不可能以形成漏极电流ID 0 VGS VT ID 0 5 1 栅源电压VGS的控制作用 c 进一步增加VGS 当VGS VT时 由于此时的栅极电压已经比较强 栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子 将漏极和源极沟通 形成沟道 如果此时VDS 0 就可以形成漏极电流ID 在栅极下方导电沟道中的电子 因与P型区的载流子空穴极性相反 故称为反型层 随着VGS的继续增加 反型层变厚 ID增加 VGS 0 g吸引电子 反型层 导电沟道VGS 反型层变厚 VDS ID 6 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 a 如果VGS VT且固定为某一值 VDS VDG VGS VGD VGSVGD 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 VDS ID 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 7 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 b 当VDS增加到使VGD VT时 沟道如图所示 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 8 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 VDS ID不变 c 当VDS增加到VGD VT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 9 3 特性曲线 以N沟道增强型为例 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用 gm的量纲为mA V 称为跨导 gm ID VGS VDS const 10 输出特性曲线 1 截止区 夹断区 VGS VT以下区域就是截止区VGS VTID 0 2 放大区 恒流区 产生夹断后 VDS增大 ID不变的区域 VGS VDS VP VDS ID不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源 3 饱和区 可变电阻区 未产生夹断时 VDS增大 ID随着增大的区域 VGS VDS VP VDS ID 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻 11 4 其它类型MOS管 1 N沟道耗尽型 N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示 制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子 所以当VGS 0时 这些正离子已经在感应出反型层 在漏源之间形成了沟道 于是只要有漏源电压 就有漏极电流存在 12 各种类型MOS管的特性曲线 13 各种类型MOS管的特性曲线 14 5 场效应管的主要参数 开启电压VT 在VDS为一固定数值时 能产生ID所需要的最小 VGS 值 增强 夹断电压VP 在VDS为一固定数值时 使ID对应一微小电流时的 VGS 值 耗尽 饱和漏极电流IDSS 在VGS 0时 VDS VP 时的漏极电流 耗尽 极间电容 漏源电容CDS约为0 1 1pF 栅源电容CGS和栅漏极电容CGD约为1 3pF 15 场效应管的主要参数 6 最大漏极电流IDM 8 漏源击穿电压V BR DS栅源击穿电压V BR GS 7 最大漏极耗散功率PDM 16 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号 现行有两种命名方法 其一是与双极型三极管相同 第三位字母J代表结型场效应管 O代表绝缘栅场效应管 第二位字母代表材料 D是P型硅 反型层是N沟道 C是N型硅P沟道 例如 3DJ6D是结型N沟道场效应三极管 3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管 第二种命名方法是CS CS代表场效应管 以数字代表型号的序号 用字母代表同一型号中的不同规格 例如CS14A CS45G等 17 几种常用的场效应三极管的主要参数见表 18 4 2结型场效应管 JunctiontypeFieldEffectTransister 1 N沟道结型场效应管的结构和符号结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件 它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结 形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构 P区即为栅极g G N型硅的一端是漏极d D 另一端是源极s S 箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向 19 2 工作原理 1 VGS对导电沟道的影响 VP VGS OFF 夹断电压 栅源之间是反偏的PN结 RGS 107 所以IG 0 a VGS 0 VDS 0 ID 0 结型场效应管没有绝缘层 只能工作在反偏的条件下 N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区 P沟道的只能工作在正栅压区 否则将会出现栅流 N沟道结型场效应管工作原理 20 工作原理 c VGS VP 导电沟道被全夹断 VGS控制导电沟道的宽窄 即控制ID的大小 21 工作原理 2 VDS 0但 VGS VDS VP 时 a VDS增加 d端电位高 s端电位低 导电沟道内存在电位梯度 所以耗尽层上端变宽 VDS ID 22 工作原理 b VGS VDS VP 时 导电沟道在a点相遇 沟道被夹断 VGS 0时 产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS 23 工作原理 c VDS 夹端长度 场强 ID IDSS基本不变 24 3 特性曲线 VDS 10V时的转移特性曲线 IDSS是在VGS 0 VDS VP 时的漏极电流 当 vGS vDS vP 后 管子工作在恒流区 vDS对iD的影响很小 实验证明 当 vGS vDS VP 时 iD可近似表示为 25 双极型和场效应型三极管的比较 26 4 3场效应管应用 例1 作反相器用 Vp1 Vp2 VT0 VT VddTp p沟道增强型 Tn n沟道增强型 Vi Vdd时 Tp VGSp 0 VT 截止Tn VGSn Vdd VT 导通Vo 0 Vi 0时 Tp VGSp Vdd VT 导通Tn VGSn 0 VT 截止Vo Vdd 27 场效应管应用 例2 压控电阻 场效应管工作在可变电阻区时 iD随vDS的增加几乎成线性增大 而增大的比值受vGS控制 所以可看成是受vGS控制的电阻 28 4 4场效应管放大电路 场效应管的小信号模型共源极放大电路共漏极放大电路共栅组态基本放大电路 29 4 4 1场效应管的小信号模型 已知场效应管输出特性表达式 求全微分 漏极与源极间等效电阻 30 场效应管的小信号模型 一般rds很大 可忽略 得简化小信号模型 31 4 4 2共源极放大电路 以NMOS增强型场效应管为例 三极管与场效应管三种组态对照表 32 电路组成 比较共源和共射放大电路 它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同 只要将微变等效电路画出 就是一个解电路的问题了 图中Rg1 Rg2是栅极偏置电阻 Rs是源极电阻 Rd是漏极负载电阻 与共射基本放大电路的Rb1 Rb2 Re和Rc分别一一对应 而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作 无栅流 那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的 33 直流分析 估算法 直流通路 直流分析 估算法 VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VGS VG VS VG IDRID IDSS 1 VGS VP 2VDS VDD ID Rd R 解出VGS ID和VDS 34 交流分析 微变等效电路 35 4 4 3共漏极放大电路 直流分析VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VGS VG VS VG IDRID IDSS 1 VGS VP 2VDS VDD IDR由此可以解出VGS ID和VDS 与三极管共集电极电路对应 直流通路 36 交流分析 37 输出电阻 38 4 4 4共栅极放大电路 Ro Rd 39 例题1共源 已知 gm 0 3mA VIDSS 3mAVP 2V 解 静态分析 VGS RIDID IDSS 1 VGS VP 2代入参数得 3ID2 7ID 3 0IDQ 0 57mAID 1 77mA 不合理 舍去 VGSQ 1 14VVDSQ VDD ID Rd R 8 31V 40 例题1解 动态分析 Ri Rg 10M Ro Rd 15K 41 例题2多级放大电路 已知 VBE 0 6V 120 gm 3mA V VP 2V IDSS 4mA 解 静态分析 VGS RsIDID IDSS 1 VGS VP 2代入参数得 4ID2 9ID 4 0ID 0 61mAID 1 64mA