第四章 场效应管及其放大电路

1、4 场效应管及其放大电路,半导体三极管：,1.两种极型的载流子（电子和空穴）都参与导电，又称为双极型晶体管，简称BJT（Bipolar Junction Transistor)。,2.电流控制型器件。,3.输入电流大，输入电阻小。,双极型晶体管,*双极型晶体管的主要特点：,单极型晶体管：场效应管,*场效应管，简称FET(Field Effect Transistor )，其主要特点：,(a)参与导电作用的只有一种载流子，称为单极型晶体管,(b) 电压控制元器件（它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件）。 输入电阻高，可达107 1015W。,(c) 体积小、重量轻、耗电

2、省、寿命长。,(d) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单，便于集成等特点。,(e) 在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。,1. 结型场效应管，简称JFET (Junction Field Effect Transistor),场效应管按结构和控制电场的形式可分为：,*场效应管的类型：,2. 绝缘栅型场效应管，简称IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor),结型,场效应管按工作方式可分为：,*场效应管的类型：,绝缘栅型,耗尽型 增强型,场效应管按其导电沟道掺杂类型可分为：,P沟道 N沟道,场效应管,P沟道 N沟道,P沟道 N沟道,P

3、沟道 N沟道,耗尽型 增强型,*本章内容 (1)结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 (2)绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 (3)场效应管放大电路。,4.1 结型场效应管,4.1.1 结型场效应管的结构和类型,N沟道JFET结构示意图,N沟道JFET,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,P+,P+,形成SiO2保护层,以N型半导体作衬底,漏极D（drain),源极S（source),栅极G（gate),N型导电沟道,符号,称为N沟道JFET,漏极D,源极S,栅极G,N型导电沟道,符号,三个区,两个PN结,总结：此管 中电流有 栅极电流iG， 漏极电流iD,

4、符号,P沟道JFET结构示意图,P沟道JFET,4.1.2 结型场效应管的工作原理：漏极电流iD的形成过程及变化情况,电路图,电流的变化，受电压的控制和影响。NJFET承受的电压有栅源电压uGS和漏源电压uDS,1.栅源控制电压uGS对漏极电流iD的控制作用,2.漏源电压uDS对漏极电流iD的影响作用,1uDS=0时，uGS对沟道的控制作用,a当uGS=0时,导电沟道已经存在且无变化,NJFET不允许的工作状态: uGS0 原因？,bUGS(off)uGS uGS=UGS(off),+,当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示,2当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用,当uDS0时，沟

5、道内无电场效应，无漏极电流iD形成，处处等电位，处处PN结反偏程度相等，各点耗尽层等宽，沟道内处处等宽。,a0 UGS(th） ,uDS0时.,uDS,(b) 沿沟道有电位梯度,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(b) 沿沟道有电位梯度,3当uGS UGS(th） ,uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)沟道反型层呈楔形,(b) 沿沟道有电位梯度,3当uGS UGS(th） ,uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,a. uDS升高,沟道

6、变窄,uDS,反型层变窄,b. 当uGD =uGS-uDS=UGS(th）时,uDS,沟道在漏极端夹断,(b) 管子预夹断,(a) iD达到最大值,c. 当uDS进一步增大,(a) iD达到最大值且恒定,uDS,uDS,沟道夹断区延长,(b) 管子进入恒流区,增强型NMOS管工作原理动画演示,3伏安特性与参数,a输出特性,可 变 电 阻 区,放大区,截止区,输出特性曲线,(1) 可变电阻区,a. uDS较小，沟道尚未夹断,b. uDS uGS- |UGS(th)|,c.管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点：,可 变 电 阻 区,2,4,0,6,10,20,(2) 放大区(饱和区、恒流区

7、),a. 沟道予夹断,c. iD几乎与uDS无关,d. iD只受uGS的控制,b. uDS uGS- |UGS(th)|,截止区,a. uGSUGS(th),(3) 截止区,b.沟道完全夹断,c. iD=0,管子工作于放大区时函数表达式,b转移特性曲线,式中，K为与管子有关的参数,例 图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。,解 由图可知，该管的,UGS（th）= 2 V,当UGS = 8 V 时，ID = 2 mA,故,4.3.2 耗尽型NMOS管,1. 结构示意图及表示符号,绝缘层中渗入了正离子,出现反型层,形成导电沟道,导电沟道增宽,a.,导电沟道变窄,b.,耗尽型M

8、OS管可以在uGS为正或负下工作。,2伏安特性与参数,a输出特性曲线,b转移特性曲线,函数表达式,工作于放大区时,增强型与耗尽型管子的区别：,耗尽型：uGS=0时，结构中已存在沟道,增强型：,当 时，无沟道产生,当 时，,总结,uGS后，沟道产生,开门电压,夹断电压,JFET符号,MOSFET符号,增强型,耗尽型,场效应管的特点（与双极型三极管比较）,（1）场效应管是一种电压控制器件，即通过改变外加电压uGS来控制电流iD； 具体JFET是利用半导体内部的电场效应进行工作，称其为体内场效应管； MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作，称其为表面场效应管；,而双极型三极管是一种电流控制器

9、件，即通过iB来控制iC,（2）场效应管的输入端电流iG几乎为零，输入电阻非常高。,而双极型三极管的发射结始终处于正向偏置，有一定的输入电流，基极与发射极间的输入电阻较小。,（4）场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好，且存在零温度系数工作点。,（3）场效应管是利用多数（一种极性）载流子导电的。,而在双极型三极管中二种极性的载流子（电子和空穴）同时参与了导电。,（5）场效应管的结构对称，有时（除了源极和衬底在制造时已连在一起的MOS管）漏极和源极可以互换使用，且各项指标基本不受影响，使用方便、灵活。,（6）场效应管制造工艺简单，有利于大规模集成。,每个MOS场效应管在硅片上所占的面积

10、只有双极性三极管5%。,（7）场效应管的跨导gM小，当组成放大电路时，在相同的负载电阻下，电压放大倍数比双极性三极管低。,（8） 由于MOS管的输入电阻高，由外界感应产生的电荷不易泄露，而栅极上的绝缘层又很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层的击穿而损坏管子。,2. 绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路？,思 考 题,1. 试比较三极管和场效应管的异同点。,4.4 场效应管放大电路,场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。,器件的应用构成放大电路对应有三种组态（*共源、共栅、共漏）,为保证对交流动态小信号不失真的放大，也须建立合

11、适且稳定的静态工作点Q，由于FET是电压控制器件，必须建立合适的偏置电路，提供合适的栅源偏置电压UGS，从而确定Q。由此产生了不同偏置方式的场效应管放大电路。,一 不同偏置方式的共源放大电路,电路中常用的耦合方式,一种典型的阻容耦合共源极放大电路,1自给偏压式,电路结构：,IDQ,USQ= IDQ RS,UGSQ= -IDQ RS,(1) 直流通路,(2)自给偏压原理：无RS时，有RS时,当调节RS，可以得到合适的栅源控制电压UGS，建立合适的Q。,栅源控制电压UGS是依靠管子自身电流ID产生的，故称之为自给偏压式。,此偏置方式适用于耗尽型器件（共四钟）,2分压式偏置放大电路,(1) 电路结构

12、：核心元件是增强型NMOS,新增加了两个分压电阻RG1、RG2。通过二者对VDD的分压，提供稳定的栅极电位VG。,图中,(2)分压式偏置放大电路的直流通路,当适当选取各电阻值，可得到合适的偏压值UGS，确定Q,此方式适用于增强型器件。,(一) 静态分析,方法一：图解法（两种偏置电路均适用）,(a) 在输出回路中：在输出特性曲线上作直流负载线MN，列写输出回路方程有：,(c) 列写输入回路方程，在转移特性曲线上作出直流偏置线L：,(b)由直流负载线MN与各条输出特性曲线的交点作转移特性曲线,二 场效应管放大电路的静态动态分析,（d）作图，平移点Q，求出UGSQ、UDSQ、IDQ,自给偏置式,直流

13、偏置线L方程：,分压偏置式,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,IDQ,M,N,Qo,UDSQ,Qi,UGSQ,作输出回路直流负载线,作控制转移特性曲线,作输入回路直流偏置线,方法二：估算法,1.对于自给偏压式电路：1)输入回路方程,当管子工作于放大区时：,两式联立可求得IDQ、UGSQ,2)再依据输出回路负载线方程可得UDSQ:,偏置线方程,转移特性表达式,例 在图示电路其中，VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M，FET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。试求UGSQ 、IDQ和UDSQ 。,UGSQ =2.9V,解,由,2对于分压偏置式电路,(1) 输入电路中偏置

14、线方程为：,(2)对于增强型MOS管转移特性表达式为：,故可联立求得IDQ,分压式偏置: 增强型、耗尽型,两种偏置电路适用的FET：,自给偏压：耗尽型,从而求出UGSQ、UDSQ、IDQ,二）动态分析：交流通路微变等效求性能参数 1.场效应管的微变等效电路,由场效应管工作原理知：,iD= f (uGS 、uDS),iG= 0,对iD全微分,1）跨导gm的导出:BJT中表征电流放大能力的参数是，FET中表征电流放大能力的参数是gm,rds为FET共源极输出电阻,故,根据gm的定义,或者,2）FET模型的导出：同BJT管一样是双口网络，在低频动态小信号下将特性曲线在小范围内线性化导出。,输入端用开

15、路等效,输出端用电压控制电流源等效,电流源的电阻，值极大，视为开路,如果FET工作在高频动态信号下或脉冲电路时，其极间电容不能忽略则要用高频模型等效。,2.场效应管组成的三种基本放大电路的动态分析,1）共源极放大电路,交流通路及其微变等效电路,由图可知,式中,a. 求电压放大倍数,由图可知,b. 求输入电阻Ri,根据输出电阻的定义：,由图可知,画出求输出电阻的等效电路,c. 求输出电阻Ro,2） 共漏极放大电路,交流通路及其微变等效电路,由图可知,式中,a. 求电压放大倍数,输入电阻,b. 求输入电阻Ri,c. 求输出电阻Ro,由图可知,故电路的输出电阻,3） 共栅极放大电路,微变等效电路,a. 求电压放大倍数,故,由于,b. 求输入电阻Ri,故,c. 求输出电阻Ro,画出求Ro的等效电路,1. 比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管放大电路，在电路结构上有何相似之处？为什么前者的输入电阻较高？ 2. 为什么增强型绝缘栅场效应管放大电路无法采用自给偏置？,思 考 题,例1 在图示电路中: （1）如果电路输入、输出电压的波形分别如图(a)、(b)所示。试问该电路的静态工作点可能处于或靠近哪个区？ （2）已知T工作于放大区