第3章

場效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1

場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管（FET）：是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)管輸入回路內(nèi)阻很高(107~1012)，熱穩(wěn)定性好，噪聲低，比晶體管耗電小，應(yīng)用廣泛。僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。分類：結(jié)型(JFET)絕緣柵型(IGFET)3.1.1

結(jié)型場效應(yīng)管N溝道結(jié)型場效應(yīng)管是在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個(gè)高摻雜的P區(qū)，將它們連接在一起引出電極柵極g。N型半導(dǎo)體分別引出漏極d、源極s，P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導(dǎo)電溝。N溝道結(jié)構(gòu)示意圖N源極S柵極G

漏極DSiO2NNPP結(jié)型場效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種類型。1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管的符號N溝道符號dsgdsgP溝道符號2.

工作原理

電壓控制作用(以N溝道為例加以說明)正常工作時(shí)在柵-源之間加負(fù)向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓)漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）這樣既保證了柵源之間的電阻很高，又實(shí)現(xiàn)了ugs對溝道電流Di

的控制。d耗盡層P+sgN導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖（1）ｇ、ｓ間和ｄ、ｓ間短路耗盡區(qū)很窄,導(dǎo)電溝道寬|UGS|增加到某一數(shù)值,耗盡區(qū)相接,溝道

,溝道電阻趨于無窮大，溝道夾斷此時(shí)ＵGS的值為夾斷電壓UGS（off）|UGS|增大，耗盡區(qū)增寬，溝道變窄，溝道電阻增大。（２）ｇ、ｓ間加負(fù)電壓和ｄ、ｓ間短路UDS的作用產(chǎn)生漏極電流ID，使溝道中各點(diǎn)和柵極間的電壓不再相等，近漏極電壓最大，近源極電壓最小。導(dǎo)電溝道寬度不再相等，近漏極溝道窄，近源極溝道寬。dsgUDSiD（3）ｇ、ｓ間短路，ｄ、ｓ間加正向電壓隨著UDS

的增加，ID近似線性增加,d—s間呈電阻特性。UGD

=

UGS

-

UDS

=

UDS當(dāng)UDS

增加到UGS（off），漏極附近的耗盡區(qū)相接，稱為預(yù)夾斷。UDSdgA此時(shí)，UGD=UGS（off）UDS

再增加，夾斷區(qū)長度增加（AA'）。sID隨著UDS

增加，ID增大。溝道在漏極處越來越窄。預(yù)夾斷時(shí)，導(dǎo)電溝道內(nèi)仍有電流ID

，且UDS增大時(shí)ID幾乎不變，此時(shí)的ID稱為“飽和漏極電流IDSS”A'ｇ、ｓ間的負(fù)電壓使導(dǎo)電溝道變窄（等寬），ｄ、ｓ間的正電壓使溝道不等寬。UGS增加，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，同樣UDS的產(chǎn)生的ID減小。dgUDSUGSsID（4）ｇ、ｓ間加負(fù)向電壓，ｄ、ｓ間加正向電壓（綜合（2）（3）兩種情況）稱場效應(yīng)管為電壓控制元件。由于UDS的增加幾乎全部落在夾斷區(qū)，漏極電流ID基本保持不變。ID幾乎僅僅決定于UGS，

恒流特性。dsgUDSUGSID夾斷區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性ID

=

f

(UDS

)UGS

=常數(shù)輸出特性和轉(zhuǎn)移特性因場效應(yīng)管柵極電流幾乎為零，不

輸入特性。（1）輸出特性曲線條件：UGD>UGS（off）。特點(diǎn)：可通過改變UGS大小來改變漏源間電阻值。預(yù)夾斷軌跡：通過連接各曲線上UGD=UGS（off）的點(diǎn)而成。1)可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷軌跡左邊區(qū)域。2)恒流區(qū)：預(yù)夾斷軌跡右邊區(qū)域。條件：UGD<UGS（off）特點(diǎn)：ID只受UGS

控制3)夾斷區(qū)（截止區(qū)）：導(dǎo)電溝道全部夾斷。條件：｜UGS

｜

UGS（off）特點(diǎn)：ID

04)擊穿區(qū)：UDS增加到一定程度，電流急劇增大。43210UGS

=0V–3V–4V輸出特性轉(zhuǎn)移特性12–1V–2UGS(off)ID

/mA轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系–4–3–2–10ID

/mA4IDSS3

UGS=0時(shí)產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流4

8

12UDS=8V（2）轉(zhuǎn)移特性ID

=

f(UGS

)UDS

=常數(shù)反映UGS對ID的控制作用恒流區(qū)ID近似表達(dá)式為：)2GS

(off

)ID

IDSS

(1UUGSN溝結(jié)型場效應(yīng)管，柵源之間加反向電壓。

P溝結(jié)型場效應(yīng)管，柵源之間加正向電壓。管子工作在可變電阻區(qū)時(shí)，不同的UDS，轉(zhuǎn)移特性曲線有很大差別。3UGS(off)–4

–3

–2

–1

0ID

/mAIDSS211.4.2

絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管)MOS管分類：N溝道（

N

MOS）增強(qiáng)型耗盡型P溝道（

P

MOS）增強(qiáng)型耗盡型柵-源電壓為零時(shí)，無導(dǎo)電溝道的管子稱為增強(qiáng)型。柵-源電壓為零時(shí)，已建立了導(dǎo)電溝道的管子稱為耗盡型。，柵極為金屬鋁，絕緣柵型場效應(yīng)管采用sio2絕緣層又稱為MOS管。1、N溝道增強(qiáng)型MOS管（1）結(jié)構(gòu)

通常襯底和源極連接在一起使用。

柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板，中間是絕緣層，形成電容。柵-源電壓改變時(shí)，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。源極S

柵極G

漏極DN+N+P型硅襯底襯底引線BSiO2DBSGN溝道符號DBSGP溝道符號耗盡層P型硅襯底襯底引線BN+N+SG

DUDSID

=

0SiO21)UGS

=0D與S之間是兩個(gè)

PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。（2）

工作原理由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層將

大量正電荷，排斥P

型襯底靠近SiO2的空穴，將襯底的電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成

N型薄層，稱為反型層。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。PN+N+SG

D反型層2）UGS

>0

，UDS

=0此時(shí)的柵-源電壓稱為開啟電壓UGS(th)UGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小，同樣的ＵＤＳ產(chǎn)生的電流ＩＤ越大．UDS作用產(chǎn)生漏極電流ID

。溝道各點(diǎn)對柵極電壓不再相等，導(dǎo)電溝道寬度不再相等，沿源-漏方向逐漸變窄。UGD=UGS-UDS<UGSID隨著的UDS增加而線性增大。3）UGS>

UGS(th），UDS

>0P襯底BN+N+SG

D隨著UDS的繼續(xù)增大，UGD減小，當(dāng)UGD=UGS(th）時(shí)，導(dǎo)電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預(yù)夾斷。UDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)延長，漏電流ID幾乎不變，管子進(jìn)入恒流區(qū)，ID幾乎僅僅決定于UGS

。此時(shí)可以把ID近似看成

UGS控制的電流源。>

UGS(th）3）UGS

，UDS

>0P襯底BN+N+SG

D4321051015GSU

=5V6V4V3V2ViD

/mAN溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線123恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)uGS

/V0

UG

2

4

6s(th)（3）

特性曲線輸出特性轉(zhuǎn)移特性iD

/mA夾斷區(qū)1)2GS

(th

)DODUUGSI

I

(ID和UGS的近似關(guān)系：IDO是UGS

=2UGS(th)時(shí)的ID。01232

4

6GSU

/

VUGs(th)ID

/mAIDO制造時(shí),在sio2絕緣層中摻入大量的正離子,即使UGS=0，在正離子的作用下，源-漏之間也存在導(dǎo)電溝道。只要加正向UDS

，就會產(chǎn)生ID。只有當(dāng)UGS小于某一值時(shí)，才會使導(dǎo)電溝道

，此時(shí)的GS

GS(off)U

稱為夾斷電壓U

。結(jié)構(gòu)示意圖P源極S

柵極G

漏極DBN+N+正離子反型層SiO22、N溝道耗盡型MOS管dN溝道符號BsgP溝道符號dBsgMOS管符號DBSGN溝道符號DBSGP溝道符號耗盡型MOS管符號增強(qiáng)型MOS管符號432104812UGS

=1V–2V–3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性N溝道耗盡型MOS管的特性曲線1230V–112–3

–2

–12.

特性曲線IDUGS

0UGs(off)ID

/mAID

/mA場效應(yīng)管的符號及特性(p76）結(jié)型N溝道結(jié)型P溝道NMOS增強(qiáng)型NMOS耗盡型PMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）測得某放大電路中三個(gè)MOS管的三個(gè)電極的電位及它們的開啟電壓如表所示。試分析各管的工作狀態(tài)（截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513恒流區(qū)T2-43310截止區(qū)T3-4605可變電阻區(qū)3.1.3

場效應(yīng)管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th)UDS為固定值能產(chǎn)生漏極電流ID所需的柵-源電壓UGS的最小值它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。（NMOS管為正，PMOS管為負(fù)）（

2）夾斷電壓UGS(off)UDS為固定值使漏極電流近似等于零時(shí)所需的柵-源電壓。是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)（NMOS管為負(fù)，PMOS管為正）。飽和漏極電流IDSS對于耗盡型MOS管,在UGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。直流輸入電阻RGS（DC）柵-源電壓與柵極電流的比值，其值很高,一般為107-1010左右。2、交流參數(shù)（1）低頻跨導(dǎo)

gm管子工作在恒流區(qū)并且UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵-源電壓的微變量之比稱為低頻跨導(dǎo),即gm=iD

/

uGS

UDS

=常數(shù)gm是衡量柵-源電壓對漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù)。（2）交流輸出電阻rdsrds反映了uDS對iD的影響，是輸出特性曲線上Q點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)．rds在恒流區(qū)很大。UGS

常數(shù)Di

uDSdsr3、極限參數(shù)（1）最大漏極電流IDM(２)最大漏源電壓U

DS(BR)最大柵源電壓U

GS(BR)最大耗散功率P

DM3.1.4

場效應(yīng)管與雙極型晶體管的比較場效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d分別對應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極cFET是電壓控制元件，輸入阻抗很高；BJT是電流控制元件，輸入阻抗較小；FET（單極型）多子參與導(dǎo)電，溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，F(xiàn)ET噪聲系數(shù)??；BJT為多子和少子同時(shí)參與導(dǎo)電，性能差；FET漏極與源極可以互換使用；BJT的發(fā)射極與集電極一般不能互換使用；

FET比BJT的種類多，組成電路更靈活；4）FET工藝簡單，功耗小，電源范圍寬，

用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。５）ＭＯＳ管的柵極絕緣，外界感應(yīng)電荷不易泄放．。試分析該管是例已知某管的輸出特性曲線什么類型的場效應(yīng)管。開啟電壓UGS(th)=4VN溝道增強(qiáng)型MOS管。2105101510V8V6ViD

/mA4V。試分析uI為0、8V例電路及管子的輸出特性和10V三種情況下uO分別為幾伏。+VDD(+15V)RD5kΩ+uo-+uI-210105

1510V8ViD

/mA6V4V(1)當(dāng)uGS

uI

0時(shí)，管子處于夾斷狀態(tài)，因而iD

0,uO

uDS

VDD

iD

RD

VDD

15V

1mA,

8V時(shí)，管子工作在恒流區(qū)的iD(2)當(dāng)uGS

uI+VDD(+15V)RD5kΩ+uo-+uI-2105101510V8VuO

uDS

VDD

iD

RD

(15

1

5)V

10ViD

/mA6V4VVRds

uDS

/

iD（3）當(dāng)UGS(th)=10V時(shí)，若認(rèn)為T工作在恒流區(qū)，則

iD為2.2mA,uo=4V,而uGS=10V時(shí)的預(yù)夾斷電壓為

uDS=6V說明管子工作在可變電阻區(qū)。uGS

uI

10V，管子工作在可變電阻區(qū)，等效電阻為DDds

DRdsR

ROu

3315V

5.6V

5

3

3k110

3+VDD(+15V)RD5kΩ+uo-+uI-2105101510V8ViD

/mA6V4V３.２

場效應(yīng)管放大電路３.２.１場效應(yīng)管放大電路的直流偏置及靜態(tài)分析場效應(yīng)管組成的放大電路與雙極型晶體管一樣，必須建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)．1、自給偏壓電路靜態(tài)工作點(diǎn)分析柵極電流為0)2GS(off

)GSQDSS

I

(1

DQIUGSQ

UGQ

USQ

IDQRsUU

IDQ

(RD

Rs

)UDSQ

VDD此電路只適用于耗盡型器件２、分壓式偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)分析DQ

sDDUGSQV

I

RR

RG1

G

2

UGQ

U

SQRG

2IUDQ、

GSQ1)2GS

(th

)DODi

IU(

UGS

VDD

IDQ

(RD

RS

)UDSQ柵極電流為0增強(qiáng)型MOS管的電流方程例3-1

自給偏壓電路中,已知場效應(yīng)管的輸出特性,RG

10M,

RS

2K,

RD

18K,VDD

20V用圖解法確定Q點(diǎn)根據(jù)輸出回路方程作直流負(fù)載線MNuDS

iD

(RD

RS

)

VDD根據(jù)直流負(fù)載線與各輸出曲線的交點(diǎn)a、b、c、d、e所對應(yīng)的iD和uGS的值作轉(zhuǎn)移特性(3)根據(jù)輸入回路方程作源極負(fù)載線OL（4）源極負(fù)載線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn)為Q點(diǎn)uGS

iD

RSＬRD

30k,VDD

18V

,場效應(yīng)管的UGS（off）

1V，IDSS

0.5mA求靜態(tài)工作點(diǎn)例3

2圖示電路中，RG1

2M,RG

2

47k,RG

10M,RS

2k,1GS(off

)DSSDQU)2

0.5(1

UGSQ

)2(1

UGSQI

IDQ

sDDSQGQGSQV

I

RR

RG

2G1RG

2U

UUDQ

GSQIUGSQ

0.4

2IDQ

0.5(1U)2IDQ

(0.95

0.64)mA,不應(yīng)大于IDSS，所以IDQ

0.31mAUGSQ

0.22V

,UDS

8.1V３.２.２用微變等效電路法分析場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)參數(shù)１．場效應(yīng)管的交流低頻小信號模型iD

f

(uGS

,

uDS

)dsds則Id

gmU

gsrdsUmGSuDSr

1

U

guU

DSiD

1令iDGSDSDSGSGSUGSU

DSDduduuu

iD

iDdi求全微分低頻小信號模型sdg.+Ugs_.gmUgs耗盡型:(結(jié)型))2GS

(off

)uGSD

DSSi

I

(1

U增強(qiáng)型：Di

=IDO(

uGS

UGS(th)–1)2rdsMOS管簡化交流等效模型２．應(yīng)用微變等效電路分析法分析場效應(yīng)管放大電路（１）共源放大電路m

Lm

gs

Ld

LOU

gs

U

gsUiug

U

RA

g

R

U

I

RRi

RGRi

RGRo

RD微變等效電路電壓增益RL

RD

//

RL輸入電阻輸出電阻

3.3

gm

RD

m

D1

g

ROU

gs

gmU

gs

RDUi

gmU

gs

RSuA

URi

RG

RG1

//

RG2

2.075kRo

RD

10k例３－３ 圖示電路，CS和RL開路RG1

300k,

RG2

100k,

RG

2M,

RS

2k,

RD

10k,gm

1mS,計(jì)算Ａｕ、Ｒｉ和ＲＯ解：共源電路的電壓增益比共射電路小，輸入電阻大（２）共漏放大電路RL

RL

//

RSm

Lgm

RLU

gs

gm

U

gs

RLUiu1

g

RUo

A

gm

U

gs

RL

RG

RG1

//

RG2iiiUIR

(Au

1

,源極跟隨器)②輸入電阻微變等效電路①電壓增益③輸出電阻斷開負(fù)載，輸入信號短路，輸出端加電壓，得到求輸出電阻的電路mSmRSo

UooRSo

mI