场效应管放大电路 (2)2

1、场效应管放大电路第1页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二第四章 场效应管放大电路1 熟悉MOSFET 、 JFET的外特性、主要 参数、使用注意事项。2 掌握FET放大电路的工作原理，静态偏置电路，会用小信号模型方法分析动态性能。3了解FET工作原理。基本要求：第2页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二概 述4.3 结型场效应管4.1 绝缘栅场效应管（MOSFET）4.4 砷化镓金属半导体场效应管4.5 各种放大器件电路性能比较4.2 MOSFET放大电路第四章 场效应管放大电路第3页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二概述1、场效

2、应管 利用电场效应来控制输出电流的半导体器件 2、特点： 体积小、重量轻、耗电省、寿命长 输入电阻高 噪声低 热稳定好 制造工艺简单，便于集成化 第4页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)概述3、分类： 第5页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二概 述4.3 结型场效应管4.1 绝缘栅场效应管（MOSFET）4.4 砷化镓金属半导体场效应管4.5 各种放大器件电路性能比较主要内容：4.2 MOSFET放大电路第6页，共36页，2022年，5月20日

3、，11点36分，星期二4.1 绝缘栅场效应管漏极D 栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。金属电极1) N沟道增强型管的结构栅极G源极S4.1.1 增强型绝缘栅场效应管SiO2绝缘层P型硅衬底 高掺杂N区第7页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二GSD符号： 由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014 。漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底 高掺杂N区 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。第8页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2

4、）N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。 当栅源电压UGS = 0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SD第9页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2）N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+UGSED+ 当UGS 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。当UGS UGS（

5、th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。ID第10页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2）N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道当UGS UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。 在一定的漏源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。ID第11页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二工作

6、原理小结1. 正常放大时各极电压极性：G、S间加正偏压VGG S+GD、S间外加偏压VDDDS衬底S第12页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2. 工作原理: (P200)(1) vGS 对 iD的控制作用： vGS =0， 无导电沟道 iD =0 vGS 垂直电场 vGS VT 形成导电沟道 vGS 导电沟道厚度 沟道电阻 iD 开启电压（刚好形成导电沟道时的vGS )第13页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二(2) vDS对导电沟道的影响作用：vDS ( =vGS-vDS=VT )vDS 夹断区增长iD不随vDS增大而增加 vDS iD随vDS增

7、大而增加导电沟道倾斜，预夹断第14页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二3）特性曲线有导电沟道转移特性曲线无导电沟道ID/mAUDS/V0UGS= 1VUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4V漏极特性曲线可变电阻区恒流区截止区开启电压UGS(th）UDSUGS/第15页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二N型衬底P+P+GSD符号：结构4) P沟道增强型 SiO2绝缘层加电压才形成 P型导电沟道 增强型场效应管只有当UGS UGS(th）时才形成导电沟道。第16页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二结构 耗尽型绝缘栅场效应管GSD符

8、号：SiO2绝缘层中掺有正离子预埋了N型 导电沟道 如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。1 ) N沟道耗尽型管第17页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2. 耗尽型绝缘栅场效应管 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，若漏源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流 ID 产生。 当UGS 0时，使导电沟道变宽， ID 增大； 当UGS 0时，使导电沟道变窄， ID 减小； UGS负值愈高，沟道愈窄， ID就愈小。 当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用U

9、GS(off）表示。 这时的漏极电流用 IDSS表示，称为饱和漏极电流。第18页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2) 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线夹断电压 耗尽型的MOS管UGS= 0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。 UGS(off)转移特性曲线0ID/mA UGS /V-1-2-348121612UDS=常数U DSUGS=0UGS0漏极特性曲线0ID/mA16201248121648IDSS第19页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2. 耗尽型绝缘栅场效应管3) P 沟道耗尽型管N型衬底P+结构P+符号：GSD预埋了P型 导电沟

10、道SiO2绝缘层中掺有负离子第20页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道源极漏极栅极第21页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二4.1.3 场效应管的主要参数1) 开启电压 UGS(th)：是增强型MOS管的参数2) 夹断电压 UGS(off)：3) 饱和漏电流 IDSS：是结型和耗尽型MOS管的参数4) 低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流 的控制能力极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。第22页，共36页，2022年，5月2

11、0日，11点36分，星期二 场效应管与晶体管的比较 双极型三极管 单极型场效应管 电流控制 电压控制 控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道放大参数 rce很高 rds很高 输出电阻输入电阻较低较高热稳定性 差 好制造工艺 较复杂 简单，成本低对应电极 BEC GSD第23页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二概 述4.3 结型场效应管4.1 绝缘栅场效应管（MOSFET）4.4 砷化镓金属半导体场效应管4.5 各种放大器件电路性能比较4.2 MOSFET放大电路第四章 场效应管放大电路第24页，共

12、36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二4.2 场效应管放大电路 场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。 场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。 场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。 场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。 第25页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二4.2.1. 自给偏压式偏置电路 栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。UGS = RSIS =

13、 RSID+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS +_UGST为N沟道耗尽型场效应管 增强型MOS管因UGS=0时， ID 0，故不能采用自给偏压式电路。第26页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS +_UGS静态分析可以用估算法或图解法( 略 )估算法：UGS = RSID将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID; 由 UDS= UDD ID（RD+ RS）解出UDS列出静态时的关系式 对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。第27页，共36页，2022年，5

14、月20日，11点36分，星期二+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuOIS +_UGS例：已知UDD =20V、RD=3k、 RS=1k、 RG=500k、UGS(off)= 4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。解：用估算法UGS = 1 IDUDS= 20 2（ 3 + 1 ）= 12 V列出关系式解出 UGS1 = 2V、UGS2 = 8V、ID1=2mA、ID2=8mA 因UGS2 UGS(off) 故舍去 ，所求静态解为UGS = 2V ID=2mA、第28页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二 分压式偏置电路1) 静态分析+UDD RSCSC2C

15、1RG1RDRG2RG+RLuiuo估算法：将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID; 由 UDS= UDD ID（RD+ RS）解出UDS列出静态时的关系式流过 RG 的电流为零第29页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二2) 动态分析电压放大倍数RG1RDRG2RG+RL+SDGT交流通路输入电阻输出电阻 RG是为了提高输入电阻ri而设置的。第30页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二4.2.3 源极输出器+UDD RSC2C1RG1RG2RG+RLuiuo+RG1RSRG2RG+RL+SDGT+交流通路电压放大倍数特点与晶体管

16、的射极输出器一样第31页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻： 场效应管可看作由栅源电压控制的可变电阻。U DS1V1.5VUGS=0.5V0ID/mA162012481216482V2.5V| UGS |愈大， RDS愈大。N沟道结型场效应管的转移特性第32页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二（Junction type Field Effect Transistor-JFET）4.3 结型场效应管( P225 P230 自学 )要求：了解JFET结构、工作原理；掌握JFET特性、符号。掌握JFET工作在放大区时外加电压极性：4. 熟悉P237 表5.5. 1第33页，共36页，2022年，5月20日，11点36分，星期二P234（不要求）各种FET的特性及使用注意事项 (P236 自学 了解)一、各种FET的特性比较 (P237 表5.5.1)二、使用注意事项4.4 砷化镓金属半导体FET4.5 各种放大器的特性及使用注意事项1、衬底处理：衬底源极S2、D、S