第三章

場效應(yīng)管及放大電路1第三章

場效應(yīng)管及放大電路基本內(nèi)容結(jié)型場效應(yīng)管金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管場效應(yīng)管的特點場效應(yīng)管放大電路基本要求1.了解各場效應(yīng)管的工作特點。2.場效應(yīng)管放大電路分析方法。第三章

場效應(yīng)管及放大電路2場效應(yīng)管

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場效應(yīng)管可分為兩大類：

結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管33.1

結(jié)型場效應(yīng)管如在P型半導(dǎo)體材料兩側(cè)各制作一個高濃度的N區(qū)，便可形成一個P溝道JFET。P溝道JFETN溝道JFET第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管43.1.2

工作原理（以N溝道為例）當N溝道結(jié)型場效應(yīng)管處在放大狀態(tài)時，在柵、源極之間加反向電壓UGS，柵極電流IG≈0，場效應(yīng)管呈現(xiàn)高達107Ω以上的輸入電阻。而在漏、源極之間加正向電壓UDS，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)在電場作用下由源極向漏極運動，形成電流ID。ID的大小受UGS控制。因此，討論結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理就是討論UGS對ID的控制作用和UDS對ID的影響。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管51.UGS對導(dǎo)電溝道ID的控制作用問：uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負電壓？第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管61.UGS對導(dǎo)電溝道ID的控制作用

改變電壓UGS，就可改變溝道電阻值的大小。若加正向電壓UDS，則改變電壓UGS就可改變電流ID。當|UGS|↑，溝道電阻↑，ID↓；反之，ID↑。利用電壓UGS產(chǎn)生的電場來控制導(dǎo)電溝道電流ID

，這就是結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管72.UDS對導(dǎo)電溝道ID的影響

UDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。問：場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？預(yù)夾斷第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管82.UDS對導(dǎo)電溝道ID的影響

當uGS負向電壓的數(shù)值小于Up某值時，iD隨uDS變化。設(shè)uDS為零時，iD顯然為零。當uDS正向電壓逐漸增加時，溝道電場強度加大，漏極電流iD隨uDS升高幾乎成正比地增大。但是，由于漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓使得溝道上各點與柵極間的電壓不再是相等的，漏極處的電壓最大，隨著電位的降低在源極處的電壓最小。所以增加uDS，又產(chǎn)生了阻礙漏極電流iD提高的因素。當uDS增大到使|uGD|等于|Up|時，在漏極附近兩側(cè)的耗盡層開始合攏于一點A，這種情況稱為預(yù)夾斷。若uGS=0，uGD=-uDS=Up，iD達到了飽和漏極電流IDSS，IDSS下標中的第二個S表示柵源極間短路的意思，此時有uGD=uGS-uDS。當uDS再繼續(xù)增加時，增大電流iD的作用與阻礙電流iD的作用相平衡，iD基本上不隨uDS增加而上升。uDS增加到U（BR）DS時，夾斷區(qū)的耗盡層擊穿,iD將突然增大。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管92.UDS對導(dǎo)電溝道ID的影響

當uGS=0時，iD隨uDS變化的曲線如圖(a)所示。改變電壓uGS可得一族曲線，

iD=f(uDS)|uGS=常數(shù)

稱為輸出特性特性曲線，如圖(b)所示。由于每個管子的Up為一定值，因此，預(yù)夾斷點隨uGS改變而變化，它在輸出特性上的軌跡如圖（b）中左邊虛線所示。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管10結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)論：

（1）柵、源之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此，其iG≈0，輸入電阻很高。（2）iD受uGS控制，是電壓控制電流器件。（3）預(yù)夾斷前，iD與uDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理與N溝道相對應(yīng)。用于放大時，使用電源電壓極性與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的正好相反。第三章

場效應(yīng)管及放大電路11g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預(yù)夾斷軌跡，uGD＝UP可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSΔiD

不同型號的管子UP、IDSS將不同。低頻互導(dǎo)：第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管12輸出特性曲線的四個區(qū)⑴

可變電阻區(qū)Ⅰ（非飽和區(qū)）：該區(qū)的特點是當uDS增加時，iD隨uDS線性增加，

uGS不同時，iD增加的斜率不同。⑵

恒流區(qū)Ⅱ（飽和區(qū)）：該區(qū)的特點是iD的大小受uGS的控制，而與uDS的大小基本無關(guān)。場效應(yīng)管在作放大器使用時一般工作在此區(qū)域，所以該區(qū)也稱為線性放大區(qū)。。⑶擊穿區(qū)Ⅲ：該區(qū)的特點是反向偏置的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD將突然聚增，管子不能正常工作，甚至很快燒毀。所以，場效應(yīng)不允許工作在這個區(qū)域。(4)夾斷區(qū)Ⅳ（截止區(qū)）：當|uGS|＞|Up|時，溝道被夾斷，iD≈0，此區(qū)域稱為夾斷區(qū)或截止區(qū)，它對應(yīng)于靠近橫軸的部分。此區(qū)的特點是場效應(yīng)管的漏、源極之間可看作開關(guān)斷開。第三章

場效應(yīng)管及放大電路13夾斷電壓漏極飽和電流轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞UP且uDS＜UP。

為什么必須用轉(zhuǎn)移特性描述uGS對iD的控制作用？第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管142.轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線為iD=f(uGS)｜uDS=常數(shù)，它反映柵極電壓對漏極電流的控制作用。轉(zhuǎn)移特性曲線可直接從輸出特性上用作圖法求出。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.1

結(jié)型場效應(yīng)管153.1.4

主要參數(shù)⒈夾斷電壓Up⒉飽和漏極電流IDSS⒊最大漏、源電壓U(BR)DS⒋最大柵、源電壓U(BR)GS⒌最大耗散功率PDM⒍直流輸入電阻RGS⒎低頻互導(dǎo)gm當uDS為某一確定值時，漏極電流的微小變化量與引起它變化的柵、源電壓的微小變化量之比稱為gm

。gm是表征場效應(yīng)管放大能力的一個重要參數(shù)，單位為mS。當UP≤uGS≤0）時，gm的近似估算公式為

第三章

場效應(yīng)管及放大電路163.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管的輸入電阻從本質(zhì)上來說是PN結(jié)的反向電阻，PN結(jié)反向偏置時總會有一些反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進一步提高，在有些要求更高的場合仍不能滿足要求。金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOS場效應(yīng)管）是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進行工作的。由于它的柵極處于不導(dǎo)電(絕緣)狀態(tài)，因而具有更高的輸入電阻，也由此得名為絕緣柵場效應(yīng)管。MOS場效應(yīng)管也可分為N溝道和P溝道兩類，但工作原理相似，每一類又分為增強型和耗盡型兩種。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管173.2.1

N溝道增強型MOS場效應(yīng)管⒈基本結(jié)構(gòu)襯底為P型硅片，摻雜濃度較低；利用擴散法擴散兩個相距很近的高摻雜N型區(qū)，并安置2個電極：源極s和漏極d；在硅片表面生成一層很薄的二氧化硅絕緣層，并在兩個N型區(qū)之間的二氧化硅的表面安置電極：柵極g。柵極與源極、漏極之間是絕緣的，所以稱為絕緣柵場效應(yīng)管；漏極和源極之間形成兩個背靠背的PN結(jié)；第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管182.工作原理

場效應(yīng)管工作時，通常將其襯底與s連在一起，在d與s之間接入適當大小的正向電壓uDS，利用電壓uGS的大小，來控制漏極電流iD的大小。

1）當UGS=0時，不論所加電壓UDS

的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，則漏極電流ID≈0。兩個N型區(qū)與P型襯底之間形成耗盡層。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管192.工作原理

2）當柵源極之間加正向電壓UGS(見圖b)，在UGS

的作用下，產(chǎn)生了垂直于襯底表面的電場，P型硅中少數(shù)載流子（自由電子）被吸到表面層填補空穴形成負離子的耗盡層。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管202.工作原理

3）當柵極與源極之間加正向電壓UGS到一定值UT時，被吸到表面層中的自由電子較多，填補空穴后還有剩余，在表面層中形成一個N型層，由于它的性質(zhì)與P型區(qū)相反，故稱為反型層，它就是溝通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道，UT稱為開啟電壓。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管212.工作原理

4）形成導(dǎo)電溝道后，MOS管即導(dǎo)通，在漏極電源UDD

的作用下，將產(chǎn)生漏極電流ID

，UGS正值愈高，導(dǎo)電溝道愈寬，ID愈大。因此，改變UGS的大?。锤淖僓GS產(chǎn)生電場的強弱）就能有效地控制漏極電流ID的大小。外加的UDS較小時，ID將隨UDS上升迅速增大，由于溝道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的，靠近源端厚，靠近漏端薄。當UDS增加到使UGD=UT時，溝道在漏極處附近出現(xiàn)予夾斷。隨后UDS繼續(xù)增加，夾斷區(qū)增長，但ID電流趨于飽和，基本不變。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管22增強型MOS管uDS對iD的影響問：用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)uGD＝UT,預(yù)夾斷iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uDS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管233.特性曲線與電流方程

輸出特性曲線恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)Ⅰ、恒流區(qū)Ⅱ、擊穿區(qū)Ⅲ和截止區(qū)Ⅳ。在恒流區(qū)內(nèi)電流方程為式中ID0為uGS=2UT時的iD值。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管243.2.2

N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)特點SiO2絕緣層里摻入大量的正離子，即使不外加?xùn)?、源電壓，在這些正離子的作用下，P型襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，形成導(dǎo)電溝道，故稱為耗盡型MOS場效應(yīng)管。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管252.工作原理

uGS＞0，導(dǎo)電溝道增寬，iD增大；反之，uGS＜0，導(dǎo)電溝道變窄、iD減小。當uGS負向增加到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道消失，iD趨向于零，管子截止，此時的柵、源電壓uGS稱為夾斷電壓仍用即UP。這種在一定范圍內(nèi)uGS的正、負值均可控制iD的大小的特性是耗盡型MOS場效應(yīng)管的一個重要特點。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管263.特性曲線輸出特性曲線恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管273.2.3

P溝道MOS場效應(yīng)管P溝道MOS場效應(yīng)管與N溝道MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)正好對偶，N型襯底、P型溝道，所以上面對的N溝道MO場效應(yīng)管工作原理及特性的分析也基本上適用于P溝道MOS場效應(yīng)管。使用時注意各電源電壓極性與N溝道MOS場效應(yīng)管正好相反。增強型P溝道MOS場效應(yīng)管的開啟電壓UT為負值，耗盡型管制作時在絕緣層中摻入負離子，其夾斷電壓UP也為負值。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.2

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管283.2.4

MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)耗盡型MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管完全相同。增強型MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)也與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是沒有夾斷電壓這一參數(shù)，取代它的是開啟電壓UT。開啟電壓UT是指當uDS為某一固定值時能產(chǎn)生iD所需的最小|uGS|值。由于MOS場效應(yīng)管輸入電阻極大，使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄放，極易產(chǎn)生高壓，使管子擊穿。因此，當MOS場效應(yīng)管不使用時，應(yīng)使其三個電極短路。MOS場效應(yīng)管的襯底和源極通常是接在一起的，即使分開，也應(yīng)保證襯底和源極之間的PN結(jié)反向偏置，以使管子正常工作。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路293.3

場效應(yīng)管的特點

場效應(yīng)管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性晶體管相比，具有如下幾個特點:(1)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，它通過uGS來控制iD。(2)場效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流，所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。(3)由于場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的，因此，與雙極性晶體管相比，具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好等特性。(4)由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱，有時漏極和源極可以互換使用，而各項指標基本上不受影響。對于有的絕緣柵場效應(yīng)管，制造時源極已和襯底連在一起，則漏極和源極不能互換第三章

場效應(yīng)管及放大電路303.3

場效應(yīng)管的特點(5)場效應(yīng)管的制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。特別是MOS電路，硅片上每個MOS場效應(yīng)管所占面積是晶體管5%，因此集成度更高，目前，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路主要由MOS電路構(gòu)成。(6)由于MOS場效應(yīng)管的輸入電阻高，因此，由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏。為此，在存放時，應(yīng)將各電極引線短接。焊接時，要注意將電烙鐵外殼接上可靠地線，或者在焊接時，將電烙鐵與電源暫時脫離。(7)場效應(yīng)管的互導(dǎo)較小，當組成放大電路時，在相同的負載電阻時，電壓放大倍數(shù)比雙極型晶體管低。第三章

場效應(yīng)管及放大電路313.4

場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管與雙極性三極管都具有放大作用，都存在著的三個極，其對應(yīng)關(guān)系為：柵極g對應(yīng)基極b；源極s對應(yīng)發(fā)射極e；漏極d對應(yīng)集電極c。所以根據(jù)雙極性三極管放大電路的三種不同組態(tài)，可組成相應(yīng)的場效應(yīng)管放大電路。但由于兩種放大器件各自的特點，故不能將雙極性三極管放大電路的三極管，簡單地用場效應(yīng)管取代。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路323.4.1

場效應(yīng)管的直流偏置電路

場效應(yīng)管是電壓控制器件，要建立合適的靜態(tài)工作點Q，需要有合適的柵極電壓，避免輸出波形產(chǎn)生嚴重的非線性失真。通常偏置的形式有兩種。1.自偏壓電路

自偏壓電路適用于結(jié)型場效應(yīng)管或耗盡型場效應(yīng)管，與晶體管的射極偏置電路相似。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路333.4.1

場效應(yīng)管的直流偏置電路因Rg上沒有壓降，IG≈0，所以s極直流電位與地相等。依靠電流ID在R上的電壓降，使電路自行提供柵極偏壓UGS=-IDR。UGS=-IDR稱為自偏壓電路的偏置線方程。為減少R對放大倍數(shù)的影響，在R兩端同樣也并聯(lián)一個足夠大的旁路電容C，稱為源極旁路電容。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路343.4.1

場效應(yīng)管的直流偏置電路

2.分壓式偏置電路柵極電壓UG＝Rg2UDD／(Rgl+Rg2)電阻R上的壓降US=IDR靜態(tài)時柵源電壓為

UGS=UG-US=-(IDR-Rg2UDD/(Rg1+Rg2))上式稱為分壓式偏置電路的偏置線方程。這種偏壓電路適用于增強型管子的電路。第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路353.4.2

靜態(tài)分析

對場效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析一般可采用圖解法和公式計算法。圖解法的原理和晶體管相似。下面討論用公式進行計算以確定Q點。利用轉(zhuǎn)移特性近似計算公式，在UP≤UGS≤0

條件下得到ID和UGS的關(guān)系：ID=IDSS(1-UGS/UP)2。與偏置線方程聯(lián)立求解，即可得到電路的靜態(tài)值ID和UGS。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路36

例1電路參數(shù)如圖所示，場效應(yīng)管的UP＝-1V，IDSS＝0.5mA，試確定Q點。

解：由近似計算公式得ID=IDSS(1-UGS/UP)2mA

ID=0.5(1+UGS)2(1)由偏置線方程得UGS=-(IDR-Rg2UDD/(Rg1+Rg2))VUGS=0.4-2ID

(2)聯(lián)立(1)(2)式求解ID＝(0.95±0.64)mAUGS=-(1.5±1.28)V因UP≤UGS≤0，取UGSQ=-0.22VIDQ=0.31mA第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路373.4.3

場效應(yīng)管的微變等效電路

如果輸入信號很小，場效應(yīng)管工作在線性放大區(qū)(即輸出特性中的恒流區(qū))時，和晶體管一樣，可用微變等效電路來進行動態(tài)分析。共源極接法中、低頻微變等效電路高頻微變等效電路

gm雖然是動態(tài)參數(shù)，其大小與靜態(tài)工作點有關(guān)。

第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路383.4.4

動態(tài)分析

1.共源極放大電路

本節(jié)主要討論中頻動態(tài)分析共源極電路微變等效電路第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路39(1)

電壓放大倍數(shù)第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路40(2)

輸入和輸出電阻

由輸入端看ri=Ui/Ii=Rg3+Rg1//Rg2由輸出端看ro=Uo/Io｜

Ui=0

=Rd第三章

場效應(yīng)管及放大電路/3.4

場效應(yīng)管放大電路412.共漏極放大器(源極輸出器)(1)

電壓放大倍數(shù)