2.7場效應管放大電路

半導體三極管有兩大類型

一是雙極型半導體三極管(BJT)

二是場效應半導體三極管(FET)

雙極型半導體三極管是由兩種載流子參與導電的半導體器件，它由兩個PN結組合而成，是一種CCCS器件。

場效應型半導體三極管僅由一種載流子參與導電，是一種VCCS器件。BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。

場效應管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。2.7場效應管場效應管的特點1）壓控器件：輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。3）抗輻射能力強：因為是單極型器件（由一種載流子參與導電的半導體器件）2）輸入阻抗高4）結構簡單，便于集成1）結型場效應三極管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransister)

2）絕緣柵型場效應三極管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也稱金屬氧化物半導體三極管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）場效應管的分類及符號

絕緣柵型場效應三極管（MOSFET）分為

增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道結型場效應三極管JFET又分為

N溝道、P溝道FET絕緣柵場效應管(MOSFET)結型場效應管(JFET)增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道2.7.1結型場效應管

一、結構與符號兩個PN結夾著一個N型溝道。三個電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號：---p++p漏極d(Drain)源極s(Source)柵極g(Gate)NN溝道P溝道

二、工作原理UGS<0，使柵極PN結反偏，iG=0UDS>0，以形成漏電流iD正常放大時外加偏置電壓的要求

1、柵源電壓對溝道的控制作用

在柵源間加負電壓uGS

，令uDS

=0

①當uGS=0時，導電溝道最寬。②當│uGS│↑時，PN結反偏，耗盡層變寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大。③當│uGS│↑到一定值時，溝道會完全合攏。定義：夾斷電壓UP（UGS（off））——使導電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。

二、工作原理對于N溝道的JFET，UP<0。2、漏源電壓對溝道的控制作用

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導電溝道最寬。

①當uDS=0時，iD=0。②uDS↑→iD

↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預夾斷。預夾斷前，uDS↑→iD

↑。預夾斷后，uDS↑→iD

幾乎不變。④uDS再↑，預夾斷點下移。

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導電溝道最寬。

①當uDS=0時，iD=0。②uDS↑→iD

↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預夾斷。預夾斷前，uDS↑→iD

↑。預夾斷后，uDS↑→iD

幾乎不變。④uDS再↑，預夾斷點下移。

3、柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用兩組特性曲線來描繪。

飽和漏極電流動畫2-9u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V設：UP=

-3V1、輸出特性曲線：iD=f（uDS

）│uGS=常數(shù)三、結型場效應管的伏安特性uGS=0VuGS=-1V四個區(qū)：恒流區(qū)的特點：△iD

/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD

=gm△uGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)。

（d）擊穿區(qū)。u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可變電阻區(qū)uDS=uGS-UP恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)2、轉移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉移特性曲線（在飽和區(qū)內）UGS(off)N溝道JFET正常放大時各電極電壓極性g、s間為反偏壓（g為低電位、s為高電位）d、s間為正偏壓（d為高電位、s為低電位）iG0P溝道JFET正常放大時各電極電壓極性g、s間為正偏壓（g為高電位、s為低電位）d、s間為反偏壓（d為低電位、s為高電位）四、結型場效應管的主要參數(shù)①夾斷電壓UP(或UGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：

③

低頻跨導gm：或漏極電流約為零時的UGS值。UGS=0時對應的漏極電流。

低頻跨導反映了uGS對iD的控制作用。gm可以在轉移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。④輸出電阻rds：⑤直流輸入電阻RGS：

對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥最大漏源電壓U(BR)DS⑦最大柵源電壓U(BR)GS2.7.2絕緣柵型場效應管

絕緣柵型場效應管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強型

N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道PN+SGDN+以P型半導體作襯底形成兩個PN結SiO2保護層引出兩個電極引出兩個電極引出柵極Al從襯底引出電極兩邊擴散兩個高濃度的N區(qū)管子組成→a.金屬（Metal）b.氧化物(Oxide)c.半導體(Semiconductor)故稱為MOS管一、結構和符號一、結構和符號4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。二、工作原理PN+SGDN+–++–以N溝道增強型MOS管為例正常放大時外加偏置電壓的要求：UGS>0UDS>0UDS>0UGS>0(1).

uGS=0,uDS≠0PN+SGN+iD=0D–++–當UGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。1、柵源電壓uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D–++–(2).uGS

>0,uDS

=0產生垂直向下的電場1、柵源電壓uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D–++–電場排斥空穴吸引電子形成耗盡層當0＜UGS＜UT時，SiO2中產生一垂直于表面的電場，P型表面上感應出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限，不能形成溝道。1、柵源電壓uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D–++–當uGS

=UT時出現(xiàn)反型層，形成導電溝道N溝道UT：門限電壓N溝道增強型MOS管，簡稱NMOS1、柵源電壓uGS的控制作用

當uGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。動畫2-41、柵源電壓uGS的控制作用

定義：開啟電壓UT(UGS(th))——剛剛產生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流iD越大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形(b)沿溝道有電位梯度(c)絕緣層內不同點的電場強度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大當UGS＞UT時，由于此時柵壓較強，P型半導體表層中將聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極連通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流iD。

當uGS＞UT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓uDS對漏極電流ID的影響。

2、漏源電壓uDS的控制作用PN+SGN+iD>0D–++–①

uDS升高uDS反型層變窄即溝道變窄當UDS繼續(xù)增加時，由于溝道電阻的存在，溝道上將產生壓降，使得電位從源極到漏極逐漸增大，從而使得SiO2層上的有效柵壓從源極到漏極減小，反型層中的電子也將從源極到漏極逐漸減少。

2、漏源電壓uDS的控制作用PN+SGN+iD>0D–++–②

當uGD=UT時uDS溝道在漏極端夾斷(b)管子預夾斷(a)iD達到最大值即uGS-uDS=UT時,當UDS大于一定值后，SiO2層上的有效柵壓小于形成反型層所需的門限電壓，則靠近漏端的反型層厚度減為零，出現(xiàn)溝道夾斷，iD將不再隨UDS的增大而增大，趨于一飽和值。

2、漏源電壓uDS的控制作用PN+SGN+iD>0D–++–③

當uDS進一步增大(a)iD達到最大值且恒定uDS溝道夾斷區(qū)延長場效應管是利用柵極與源極之間的電壓控制漏源電流的元件。柵極通過氧化物或絕緣體與溝道隔離，∴柵極與襯底之間沒有電流，即iG=02、漏源電壓uDS的控制作用2、漏源電壓uDS的控制作用

當uGS＞UT，且固定為某一值時，漏源電壓uDS對漏極電流ID的影響。

（a）uds=0時，id=0。（b）uds

↑→id↑；同時溝道靠漏區(qū)變窄。（c）當uds增加到使ugd=UT時，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預夾斷。（d）uds再增加，預夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。動畫2-5GSD電路符號虛線表示溝道在施加外電壓后才形成←增強型箭頭朝里表示N溝道；三、增強型MOS場效應管的伏安特性

四個區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。

1、輸出特性曲線：iD=f(uDS)

uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)。可變電阻區(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)三、增強型MOS場效應管的伏安特性

四個區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。

1、輸出特性曲線：iD=f(uDS)

uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)與JFET相比，兩者結構不同，產生溝道的方式不同。但都是利用溝道導電，且外特性都表現(xiàn)為柵源電壓控制漏極電流。2、轉移特性曲線：iD=f(uGS)

uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉移特性曲線：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS(th)（當UGS>UGS(th)時）其中IDO為當uGS=2UGS(th)時的iD值

一個重要參數(shù)——跨導gm：gm=

iD/

uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)△uGSi△DGSu△i△DN溝道增強型MOS場效應管正常放大時各電極電壓極性g、s間為正偏壓（g為高電位、s為低電位）d、s間為正偏壓（d為高電位、s為低電位）P溝道增強型MOS場效應管正常放大時各電極電壓極性g、s間為反偏壓（g為低電位、s為高電位）d、s間為反偏壓（d為低電位、s為高電位）四、耗盡型MOS場效應管特點：

當uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。當uGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。

當uGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線輸出特性曲線轉移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42vu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUP其中IDSS為當UGS=0時的iD值N溝道耗盡型MOSFET正常放大時各電極電壓極性g、s間為任意偏壓d、s間為正偏壓（d為高電位、s為低電位）P溝道耗盡型MOSFET正常放大時各電極電壓極性g、s間為任意偏壓d、s間為反偏壓（d為低電位、s為高電位）P型MOS管也分增強型和耗盡型。其余均與NMOS相同，UDS和UT為負值。實際電流方向為流出漏極。1.4.3、場效應管的主要參數(shù)(1)

開啟電壓UT

UT

是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。

（2）夾斷電壓UP

UP

是MOS耗盡型和結型FET的參數(shù)，當uGS=UP時,漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結型FET,當uGS=0時所對應的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結型場效應管，RGS大于107Ω，MOS場效應管,RGS可達109～1015Ω。（5）

低頻跨導gm

gm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。結型場效應管:增強型MOS管:（6）最大漏極功耗PDM

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當。1.4.4各種場效應管特性的比較

各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓UGS不同各種場效應管的轉移特性各種場效應管的輸出特性對比

雙極型三極管場效應三極管結構NPN型

結型耗盡型

N溝道P溝道 PNP型

絕緣柵增強型

N溝道P溝道

絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道

C與E一般不可倒置使用

D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)雙極型和場效應型三極管的比較

雙極型三極管場效應三極管噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成三個電極的對應情況：BJTFET基極b柵極g集電極c漏極d發(fā)射極e源極s2.7場效應管放大器2.7.2場效應管放大器的偏置電路及靜態(tài)分析

保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真場效應管偏置電路特點①柵極只需要偏壓，不需要偏流②注意各類FET的偏置極性區(qū)別：

N溝道器件加正漏源偏壓；

P溝道器件加負漏源偏壓；

③采用偏置穩(wěn)定電路1.自給偏壓電路UGS=-IDR

注意：該電路產生負的柵源電壓，所以只能用于需要負柵源電壓的電路。計算Q點：UGS、ID、UDS已知UP，由UGS=-IDR可解出Q點的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：+++——gTRdRRgC1C2uouiVDDCdsID

2.分壓式偏置電路可解出Q點的UGS、ID

計算Q點：已知UP，由該電路產生的柵源電壓可正可負，所以適用于所有的場效應管電路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2