第3章場(chǎng)效應(yīng)晶體管和基本放大電路3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管

3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1作業(yè)3-43-7（第3問(wèn)，當(dāng)RS2取最大值時(shí)計(jì)算AU）

3-83-103-112本章的重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn):1.

掌握?qǐng)鲂?yīng)管的外特性及主要參數(shù)；2.掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)與動(dòng)態(tài)參數(shù)（Au、Ri、Ro）的分析方法。難點(diǎn):通過(guò)外部電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用來(lái)說(shuō)明結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。3場(chǎng)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。場(chǎng)效應(yīng)管（FET）：是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管4場(chǎng)效應(yīng)管的分類53.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管N溝道結(jié)型場(chǎng)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。1.N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)sgP+N導(dǎo)電溝道源極s柵極g漏極d6結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道符號(hào)dsgdsgP溝道符號(hào)7(1)g、s間和d、s間均短路的情況導(dǎo)電溝道具有一定的寬度并且等寬2.工作原理－－電壓控制作用(以N溝道為例加以說(shuō)明)8(2)g、s間加負(fù)電壓和d、s間短路

UGS<0，UDS=0|UGS|增加到某一數(shù)值,耗盡區(qū)相接,溝道消失,溝道電阻趨于無(wú)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。等寬變化N溝道JFETUGS(off)<09UDS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。dsgUDSiD(3)g、s間短路，d、s間加正向電壓

UGS=0，UDS>0隨著UDS的增加，ID近似線性增加,d-s間呈電阻特性。

10UGD=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。UDSdsgAID隨著UDS

增加，ID增大。溝道在漏極處越來(lái)越窄。此時(shí)，UGD=UGS（off）UDS

再增加，夾斷區(qū)長(zhǎng)度增加（AA'）。A'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。11g、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，相同UDS產(chǎn)生的ID減小。dsgUDSUGSID(4)g、s間加負(fù)向電壓，d、s間加正向電壓

UGS<0，UDS>0（綜合（2）（3）兩種情況）12稱場(chǎng)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，表現(xiàn)出恒流特性。A'dsgUDSUGSID13預(yù)夾斷情況下，對(duì)應(yīng)UGS＝0時(shí)的ID最大，稱為“飽和漏極電流IDSS”2.工作原理－－電壓控制作用正常工作時(shí)（放大）：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，(以形成流入漏極的電流）這樣既保證了柵源之間的電阻很高，又實(shí)現(xiàn)了ugs對(duì)溝道電流iD的控制。d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理－－電壓控制作用143.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性ID

=f(UDS)UGS=常數(shù)（1）輸出特性曲線因場(chǎng)效應(yīng)管柵極電流幾乎為零，不討論輸入特性。輸出特性和轉(zhuǎn)移特性從圖中可以看出，管子的工作狀態(tài)分為四個(gè)區(qū)域：可變電阻區(qū)，恒流區(qū)，夾斷區(qū)及擊穿區(qū)。UGS015UDS較小、曲線靠近縱軸的部分。也就是預(yù)夾斷軌跡左邊區(qū)域。1)可變電阻區(qū)

條件：|UGS|

<|UGS（off）

||UGD|

<|UGS（off）|預(yù)夾斷軌跡：連接各曲線上UGD=UGS（off）的點(diǎn)特點(diǎn)：可通過(guò)改變UGS大小來(lái)改變漏源間電阻值。16dsgUDSiDUDS較大、ID基本不隨UDS的增加而增加的部分。預(yù)夾斷軌跡右邊區(qū)域。2)恒流區(qū)（飽和區(qū)，放大區(qū)）條件：|UGS|

<|UGS（off）||UGD|

>|UGS（off）|特點(diǎn)：ID只受UGS控制17dsgUDSUGSID

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

|

UGS（off）|

特點(diǎn)：ID018194)擊穿區(qū)：UDS增加到一定程度，電流急劇增大(雪崩）。不允許管子工作在擊穿區(qū)。sgP+N導(dǎo)電溝道432104812UGS

=0V–3V–4V輸出特性轉(zhuǎn)移特性123–1V–20–1–2–3UGS/VUGS(off)UDS/VID/mAID/mA轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系–44（2）轉(zhuǎn)移特性ID

=f(UGS)UDS=常數(shù)反映UGS對(duì)ID的控制作用UDS=8VIDSS飽和漏極電流UGS=0時(shí)產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流放大區(qū)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合?？勺冸娮鑵^(qū)時(shí)，不同的UDS

，轉(zhuǎn)移特性曲線有很大差別。20恒流區(qū)ID近似表達(dá)式為：30–1–2–3UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，柵源之間加反向電壓。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，柵源之間加正向電壓。211.4.2

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻可達(dá)107，但有些情況還不足夠大；另外溫度升高時(shí)，PN結(jié)反向電流增大，輸入電阻減小。

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管采用sio2絕緣層隔離，柵極為金屬鋁，又稱為MOS管，MOS管柵極與溝道之間處于絕緣狀態(tài)，輸入電阻大，并且易于集成。

2223MOS管分類

柵-源電壓UGS為零時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道的管子稱為增強(qiáng)型柵-源電壓UGS為零時(shí)，已建立了導(dǎo)電溝道的管子稱為耗盡型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-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。P型硅襯底源極s柵極g漏極d

襯底引線BN+N+SiO2dBsgN溝道符號(hào)dBsgP溝道符號(hào)24SiO2P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+sgdUDSID

=0D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無(wú)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1)UGS=025

由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵源電壓產(chǎn)生向下的電場(chǎng)強(qiáng)度，基底靠近柵極形成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+sgd反型層2）UGS>0，UDS=026UGS到達(dá)UGS（th)后，UGS越大，反型層越寬，導(dǎo)電溝道電阻越小，相同的UDS產(chǎn)生的電流ID大，從而實(shí)現(xiàn)了壓控電流作用。

產(chǎn)生反型層（導(dǎo)電溝道）時(shí)對(duì)應(yīng)的柵-源電壓稱為

開啟電壓UGS(th)

PN+N+sgd反型層27UDS作用產(chǎn)生漏極電流ID

。溝道各點(diǎn)對(duì)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。3）UGS>UGS(th），UDS>0P襯底BN+N+sgdUGD=UGS-UDS<UGS當(dāng)UDS較小時(shí)，ID隨著的UDS增加而線性增大。28

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(zhǎng)，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。3）UGS>UGS(th），UDS>0P襯底BN+N+sgd2930恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)輸出特性轉(zhuǎn)移特性（3）特性曲線恒流區(qū)ID和UGS的近似關(guān)系：ID0是UGS

=2UGS(th)時(shí)的ID。UDS=10V0123246UGS

/

VUGs(th)ID/mAID031制造時(shí)，在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(huì)產(chǎn)生流入漏極的電流ID。UGS<0,并且當(dāng)UGS小于某一值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，此時(shí)的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)

。結(jié)構(gòu)示意圖P源極s漏極d

柵極gBN+N+正離子反型層SiO22、N溝道耗盡型MOS管32dN溝道符號(hào)BsgP溝道符號(hào)dBsgMOS管符號(hào)dBsgN溝道符號(hào)dBsgP溝道符號(hào)耗盡型MOS管符號(hào)增強(qiáng)型MOS管符號(hào)33432104812UGS

=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–1012–1–2–3UGS/V2.特性曲線IDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mA34場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性76頁(yè)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（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）3536判斷N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)UGS（off）<0UGS<UGS（off）：夾斷區(qū)UGS>UGS（off），UGD<UGS（off）：恒流區(qū)UGS>UGS（off），UGD>UGS（off）：可變電阻區(qū)37判斷MOS管的工作狀態(tài)N溝道增強(qiáng)型：UGS（th）>0UGS<UGS（th）：夾斷區(qū)UGS>UGS（th），UGD<UGS（th）：恒流區(qū)UGS>UGS（th），UGD>UGS（th）：可變電阻區(qū)38P溝道增強(qiáng)型：UGS（th）<0UGS>UGS（th）：夾斷區(qū)UGS<UGS（th），UGD>UGS（th）：恒流區(qū)UGS<UGS（th），UGD<UGS（th）：可變電阻區(qū)

測(cè)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)（夾斷區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號(hào)UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513T2-43310T3-4605恒流區(qū)夾斷區(qū)可變電阻區(qū)增強(qiáng)型NMOSPMOS393.1.3場(chǎng)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。增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。

（NMOS管為正，PMOS管為負(fù)）40

（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。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)。

（NMOS管為負(fù)，PMOS管為正）。41

（4）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。

（3）飽和漏極電流IDSS

對(duì)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。422、交流參數(shù)

gm是衡量柵-源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù)，gm一般都較小，所以場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的增益較低。（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43（2）交流輸出電阻rdsrds反映了uDS對(duì)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。443、極限參數(shù)（1）最大漏極電流IDM(２)最大漏源電壓UDS(BR)(3)最大柵源電壓UGS(BR)(4)最大耗散功率PDM453.1.4場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的比較場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d分別對(duì)應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c1）FET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?。?）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)，

FET噪聲系數(shù)?。?/p>

BJT為多子和少子同時(shí)參與導(dǎo)電，溫度特性能差；463）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(jiǎn)單，功耗小，占用芯片面積小，電源范圍寬，更多用于大規(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。存儲(chǔ)及使用時(shí)要注意。47例電路及管子的輸出特性如圖所示。試分析uI為0、8V和10V三種情況下uO分別為幾伏。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V48

首先需要分析該管子是什么類型的場(chǎng)效應(yīng)管。N溝道增強(qiáng)型MOS管2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V開啟電壓UGS(th)=4V49例電路及管子的輸出特性如圖所示。試分析uI為0、8V和10V三種情況下uO分別為幾伏。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V50預(yù)夾斷軌跡，UGD=UGS(th)4V6V+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD

/mA4V輸入電壓為8V514V（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(shuō)明管子工作在可變電阻區(qū)。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-uDS/V2105101510V8V6ViD/mA4V3526V場(chǎng)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)。３.２場(chǎng)效應(yīng)管放大電路３.２.１場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的直流偏置及靜態(tài)分析1.自給偏壓電路此電路只適用于耗盡型器件不適用于增強(qiáng)型器件53靜態(tài)工作點(diǎn)分析柵極電流為0，則UGQ=0解方程求出IDQ和UGSQ54解出兩個(gè)解，UGSQ一定要保證管子工作在恒流區(qū)。２、分壓式偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)分析直流通路55IDQ

UGSQ柵極電流為0增強(qiáng)型MOS管的電流方程靜態(tài)工作點(diǎn)分析56靜態(tài)分析小結(jié)利用場(chǎng)效應(yīng)管柵極電流為0，得到柵源電壓與漏極電流之間關(guān)系式。列出場(chǎng)效應(yīng)管在恒流區(qū)的電流方程。聯(lián)立上述兩方程，求解UGSQ和IDQ，并推算UDSQ。注意解算后應(yīng)使得管子工作在恒流區(qū)。5758例3-1自給偏壓電路中,已知場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性,

用圖解法確定Q點(diǎn)(1)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(duì)應(yīng)的iD和uGS的值作轉(zhuǎn)移特性59QＬ59(2)根據(jù)輸入回路方程作源極負(fù)載線OL例3-1自給偏壓電路中,已知場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性,

用圖解法確定Q點(diǎn)(3)根據(jù)輸出回路方程作直流負(fù)載線MN6060QQ613.2.2用微變等效電路法分析場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)１．場(chǎng)效應(yīng)管的交流低頻小信號(hào)模型求全微分低頻小信號(hào)模型MOS管簡(jiǎn)化