场效应管放大器

1、场效应管放大器第1页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二5.1 场效应管1. 特点:(1)导电能力由电压控制的半导体器件。(2) 仅靠多数载流子导电,又称单极型晶体管。(3) 体积小、耗电少、寿命长等优点，(4) 输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。(5)广泛用于大规模及超大规模集成电路。第2页，共36页，2022年，5月20日，11点35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（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)2.场效应管分类：第3页，共36页，2022年，5月20日，11点35

2、分，星期二N基底 ：N型半导体PP两边是P区G栅极S源极D漏极结构:导电沟道PN结5.1.1 结型场效应管:第4页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二P 沟道结型场效应管DGSN沟道结型场效应管DGS符号：第5页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二二、工作原理（以N沟道为例）当 UDS= 0 V时：UGS* 若加入UGS 0,PN结反偏，耗尽层变厚* 若UGS = 0,沟道较宽，沟道电阻小沟道变窄，沟道电阻增大* 若UGS = VP （夹断电压）时沟道夹断，沟道电阻很大|UGS|越大,则耗尽区越宽，导电沟道越窄。但当|UGS|较小时，耗尽区宽度有限，存在

3、导电沟道。DS间相当于线性电阻。沟道夹断时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。加入UGS使沟道变窄，该类型效应管称为耗尽型第6页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二漏源电压VDS对iD的影响 当VDS继续增加时，预夹断区向源极方向伸长。* 在栅源间加电压VGS，漏源间加电压VDS。由于漏源间有一电位梯度VDS上端（漏端）VGD=VGS-VDS 即 |VGD|=|VGS|+|VDS|下端（源端）VGD=VGS使沟道呈楔形耗尽层上下量端受的反偏电压不同沟道夹断前，iD 与 vDS 近似呈线性关系。 当VDS增加到使VGD=

4、VGS-VDS =VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点。 随VDS增大，这种不均匀性越明显。电阻增大，使VDS增加不能使漏极也增大，漏极电流 iD 趋于饱和。第7页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二4.1.2 伏安特性曲线及参数特点: (1)当vGS 为定值时, 管子的漏源间呈线性电阻，且其阻值受 vGS 控制 ，（ iD 是 vDS 的线性函数）。 （2）管压降vDS 很小。用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件： 源端与漏端沟道都不夹断（1）可变电阻区1、输出特性曲线：第8页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二（动画2-6）用途:

5、可做放大器和恒流源。（2）恒流区：(又称饱和区或放大区）条件: (1)源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断 (2) 恒流性：输出电流 iD 基本上不受输出电压 vDS 的影响。特点: (1) 受控性： 输入电压 vGS 控制输出电流为饱和漏极电流IDSS第9页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二（3）夹断区： 用途：做无触点的、接通状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断 （4）击穿区 当漏源电压增大到 时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为（20 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。特点：第10页

6、，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二2、转移特性曲线输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制第11页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二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12页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 绝缘栅型场效应管( Metal Oxide Semiconductor ) MOSFET N沟道 P沟道 增强型N沟道 P沟道 耗尽型增强型 (N沟道、P沟道), VGS=0 时无导电沟道，iD=0耗尽型 (N沟道、P沟道)，VGS=0 时已有导电沟道。 类型及其

7、符号:第13页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二5.1.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管NMOS漏极D金属电极1、结构栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底 高掺杂N区 金属 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。 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 。 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14页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二2、N沟道增强型MOS场效应管的工作原理（1）. 栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离，

8、因此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。 当 0VGSVT (开启电压)时， 通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。第15页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二N沟道增强型场效应管的工作原理的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越

9、小，在同样 VDS 电压作用下， I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。 当VGSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称为反型层。形成N源区到N漏区I D第16页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二2 .漏源电压VDS对沟道导电能力的影响A当VGSVT且固定为某值的情况下：加正电压VDS，则形成漏极电流ID当ID从D S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。S端电压最大(为VGS )，感生的沟道最宽；D端电压最小（

10、为VGD=VGS-VDS）感生的沟道窄；沟道呈锥形分布。当VGD=VT，即VGS-VDS=VT时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。第17页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二 当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。 当VDS增加到使VGD=VT时，预夹断。 当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。电阻增大，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，ID基本不随VDS增加而变化。第18页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二MOSFET的特性曲线1.漏极输出特性曲线V-I特性表达式不做要求第1

11、9页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二2.转移特性曲线 VGS对ID的控制特性 转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 其量纲为mA/V，称gm为跨导。 ID=f(VGS)VDS=常数 gm=ID/VGSQ （mS) 第20页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二增强型MOS管特性小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第21页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的

12、衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。 因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0 时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP 。第22页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二耗尽型MOSFET的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第23页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二场效应三极管的参数和型号一、 场效应三极管的参数 1. 开启电压VT 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管

13、不能导通。 2. 夹断电压VP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极 电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。第24页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二4. 输入电阻RGS 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。 5. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS (毫西门子)。 6.最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。第25页，共36页，

14、2022年，5月20日，11点35分，星期二绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型 N沟道P 沟道第26页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二场效应管与晶体管的比较 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 双极型三极管 单极型场效应管热稳定性 差 好制造工艺 较复杂 简单，成本低对应电极 BEC GSD第27页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、

15、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第28页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二4.4 场效应管放大电路4.4.1 直流偏置电路及静态分析1、直流偏置电路建立适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区。(1) 自偏压电路: 仅适用于耗尽型场效应管，VGS=0 时，沟道已存在。加VDD后, VS=ID R 。可建立偏压：上式称为偏压公式第29页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二 及 VDS= VDDID(R+Rd ) 联立可以解出VGS、ID和VDS。(2) 分压式偏压电路直流通道由：VG =VDD Rg2 / (Rg1+Rg2)及 V

16、S = IDRVGS= VGVS= VGIDR可得 偏压公式 ：2、静态工作点的确定：ID= IDSS1(VGS /VP)2由公式：偏压公式： VGS = -ID R 或：VGS= VGVS= VGIDR第30页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二4.4.2 小信号模型分析法低频模型高频模型跨导漏极输出电阻1. 小信号模型第31页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二2.用小信号模型进行交流分析小信号等效电路（1）电压放大倍数(2) 输入电阻(3) 输出电阻第32页，共36页，2022年，5月20日，11点35分，星期二uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析USUGUDS=UDD- US =20-5=15V例4.4.2 源极输出器第33页，共36