第4章-场效应管及其放大电路课件

第4章场效应管放大电路

7/23/2023基本要求了解场效应管的分类、结型场效应管（JFET）和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET）的结构、工作原理；熟悉输出特性曲线和转移特性曲线，以及场效应管的主要参数；掌握场效应管放大电路的组成、分析方法和应用。7/23/2023FET特点

场效应管根据结构和工作原理的不同，分为两大类：结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor,JFET)和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET），其中包括耗尽型和增强型。本章先介绍JFET和MOSFET的结构、工作原理、特性曲线及主要参数，再讨论场效应管放大电路的3种组态：共源极、共漏极和共栅极放大电路。

BJT工作在放大区时，输入回路的PN结(BE结)加正向偏压，输入阻抗小，且属于电流控制电流器件。场效应管(FET)虽然也是一种具有PN结的半导体器件，但它是利用器件内部的电场效应控制输出电流的大小，其输入回路的PN结通常工作在反偏压或绝缘状态，输入阻抗很高(107～1012)。FET具有体积小、耗电少、寿命长、内部噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单以及便于集成等特点。

7/23/20234.1结型场效应管(JFET)

4.1N沟道结型场效应管

4.1.1N沟道结型场效应管的结构

7/23/2023如图4-1a所示，在一块N型半导体材料的各分别扩散一个高参杂浓度的P型区(用P+表示)，两侧P+区与N沟道交界处形成两个PN结，由于P+区内侧耗尽层非常窄，可见这两个PN结都是非对称PN结。

两边P+区各引出一个欧姆接触电极并连接在一起，称为栅极G(Gate)；在N型半导体的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极S(Source)和漏极D(Drain)。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道。N沟道JFET的符号如图4-1c所示，其中，箭头所指方向表示栅极和源极之间的PN结加正向偏压时，栅极电流的方向是从P指向N。

如图4-1b所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图4-1c所示。对于P沟道JFET，在使用过程中，除了直流电源电压极性和漏极电流的方向与N型沟道JFET相反外，两者的工作原理完全一样。

7/23/20234.1.2N沟道结型场效应管的工作原理

7/23/20234.1.2.1

对导电沟道和的控制作用

导电沟道沟道变窄沟道夹断7/23/20237/23/2023沟道最宽但电流为零沟道变窄7/23/2023沟道预夹断沟道夹断7/23/20237/23/2023

(4-1)7/23/20234.1.3结型场效应管的特性曲线

(4-2)图4-5a所示N沟道JFET的输出特性曲线。7/23/2023可变电阻区截止区放大区击穿区转移特性7/23/20237/23/20237/23/20232．转移特性曲线

(4-3)(4-4)7/23/20234.2绝缘栅场效应管(IG-FET)

7/23/20234.2.1N沟道增强型MOSFET

4.2.1.1N沟道增强型MOSFET的结构绝缘层衬底吕电极7/23/2023

在一块掺杂浓度较低的P型半导体材料(衬底)上，利用扩散工艺在衬底上形成两个高掺杂浓度的N型区域(用N+表示)，并在此N区域上引出两个接触电极(铝电极)，分别称为源极(S)和漏极(D)，两个电极之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，该绝缘层上再沉积金属铝层并引出电极作为栅极(G)，从衬底引出的电极称为衬底电极(B)，通常将衬底电极和栅极连接在一起使用。7/23/20234.2.1.2N沟道增强型MOSFET的工作原理

7/23/2023反型层导电沟道7/23/2023导电沟道发生变化导电沟道夹断7/23/20237/23/20237/23/20234.2.1.3N沟道增强型MOSFET的特性曲线

N沟道增强型MOSFET的特性曲线也分为输出特性和转移特性，如图4-8所示。

图4-8b为N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线，输出特性同样分为可变电阻区、放大区(饱和区)、击穿区和截止区。7/23/2023(4-6)7/23/20234.2.2N沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图4-9a所示。耗尽型MOSFET的符号如图4-9b所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构相似，不同之处在于N沟道耗尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的SiO2中注入一些离子(图中4-9中用“＋”表示)，使漏源之间的导电沟道在时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。

7/23/2023“＋”离子导电沟道7/23/2023

(4-7)7/23/20234.2.3MOS场效应晶体管使用注意事项

MOS场效应晶体管在使用时应注意其分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿，使用时应注意以下规则。

(1)MOS器件启用前通常由生产厂家将MOS器件装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便用其他塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起(或用锡纸包装)，以防被静电击穿。

(2)已取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。

(3)焊接用的电烙铁必须良好接地，不具备条件时可将电烙铁拔离交流电源插座再焊接。

(4)在焊接前先将把电路板的电源线与地线短接，待MOS器件焊接完成后再恢复。

(5)焊接MOS器件各引脚的顺序是漏极、源极、栅极。拆卸MOS器件时顺序相反。

(6)电路板在装机之前先用良好接地的线夹子去碰触机器的各接线端子，再把电路板接上去。

(7)生产过程中，在人体可能接触MOS器件的时，操作人员的手腕应带静电屏蔽套，并将屏蔽套可靠接地。7/23/20234.2.4

双栅场效应管(DGFET)

双栅MOS场效应管有两个栅极，其结构示意图如图4-12所示。由于双栅MOSFET具有上、下两个栅，增强了对沟道的控制能力。对于厚膜双栅MOSFET,硅膜在正面、背面栅压作用下的最大反型区域小于硅膜厚度,即两个反型沟道相对独立,而硅膜的中间部分没有反型,没有电流通道。在这种状况下,双栅MOSFET相当于两个普通体硅MOSFET的简单并联。导电沟道7/23/2023国产N沟道MOSFET的典型产品单栅管有3DO1、3DO2、3DO4等，双栅管有4DO1等。

双栅极FET双栅极FET等效双栅极FET引脚图7/23/20234.3.1FET的主要参数

1．直流参数1)夹断电压2)开启电压3)饱和电流4)直流输入电阻2.交流参数

1)低频跨导(互导)

(4-11)(4-12)7/23/2023对于增强型MOSFET，将式(4-6)代入(4-11)得到增强型MOSFET的跨导为(4-13)2)输出电阻

(4-14)7/23/20233．极限参数

7/23/20234.4场效应管放大电路

FET放大电路的分析方法与BJT放大电路的分析方法基本相同，可以用图解法和低频小信号等效(微变等效)电路法。4.4.1直流分析

与BJT放大电路相似，给FET栅极提供直流电压的电路称为偏置电路。FET的偏置电路分为固定偏置电路、自给偏置电路和分压式偏置电路三种。

7/23/20231)固定偏置电路共源组态的基本放大电路如图4-14所示。图4-14a是为FET提供负偏压的固定偏置放大电路，偏置电压由外加电压提供，由于FET的输入电阻很大，流过栅极的电流几乎为零。因此，两端的电压降为零

(4-15)7/23/2023与BJT固定偏置电路一样，图4-14a所示FET固定偏置电路也存在着工作点不稳定的缺陷，因此，实际应用中很少使用，更常用的是自给偏压电路和分压式偏置电路。

2)自给偏置电路

偏置电阻7/23/2023(4-16)这种偏置电压是由FET的电流产生的，所以称为自给偏压。

(4-17)只要将式(4-16)与(4-17)联立求解，就可以求出静态时漏极电流和栅源电压。漏极电流求出后，根据图4-14b所示电路的输出回路(漏极回路)列出KVL方程：(4-18)7/23/20233）分压式自给偏压电路

7/23/2023(4-20)(4-22)将(4-16)与(4-22)联立求解，可以得到静态时漏极电流和栅源电压的值。

(4-21)利用式(4-20)获得合适的较为方便，因此，分压式自给偏压电路不仅适用于增强型FET放大电路，也同样适用于耗尽型FET放大电路。7/23/20234.4.2小信号模型分析

4.4.2.1FET的小信号等效模型

FET的输出特性可知

(4-24)是式(4-11)表示的跨导是式(4-12)表示的FET输出电阻的倒数。

7/23/2023(4-25)为跨导,单位为mA/V或mS

称为FET漏极电阻率，单位为分布电容7/23/20234.4.2.2小信号模型分析方法

1.共源极放大电路分析

FET放大电路的分析方法和BJT放大电路的分析方法相同。给出电路后首先应该分析电路中各元器件的作用，然后画出该电路的低频小信号等效电路图，再根据定义计算电路中的相关参数。7/23/2023将图4-17所示共源极放大电路的交流通路和小信号微变等效电路绘成图，如图4-18所示。7/23/20231)电压增益(4-26)式(4-26)中的“—”号表示共源极放大器的倒相作用。2)电流增益

(4-27)7/23/20233)输入电阻

(4-28)4)输出电阻(4-29)7/23/20235)源电压增益

(4-30)4.4.3