1、3 場效應(yīng)晶體管及其放大電路,三極管的主要特點：,1. 電流控制型器件。,2. 輸入電流大，輸入電阻小。,3. 兩種極型的載流子都參與導(dǎo)電，又稱為雙極型晶體管，簡稱BJT（Bipolar Junction Transistor)。,場效應(yīng)管，簡稱FET(Field Effect Transistor )，其主要特點：,(a) 輸入電阻高，可達(dá)107 1015W。,(b) 起導(dǎo)電作用的是多數(shù)（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。,(c) 體積小、重量輕、耗電省、壽命長。,(d) 噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。,(e) 在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。,1. 結(jié)型場效應(yīng)管，

2、簡稱JFET (Junction Field Effect Transistor),場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)可分為：,場效應(yīng)管的類型：,2. 絕緣柵型場效應(yīng)管，簡稱IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor),3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,3.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型,N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖,P+,P+,形成SiO2保護層,以N型半導(dǎo)體作襯底,漏極D（drine),源極S（source),柵極G（gate),N型導(dǎo)電溝道,符號,稱為N溝道JFET,符號,P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管,P溝道結(jié)型場效應(yīng)管,3.1.2 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,電

3、路圖,1uDS=0時，uGS對溝道的控制作用,a當(dāng)uGS=0時,溝道無變化,bUGS(off)uGS0,P+,+,(a) PN結(jié)加寬,(b) PN結(jié)主要向N區(qū)擴展,(c) 導(dǎo)電溝道變窄,(c) 導(dǎo)電溝道電阻增大,P+,P+,(a) PN結(jié)合攏,(b) 導(dǎo)電溝道夾斷,c 0 uGS=UGS(off),+,當(dāng)uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示,2當(dāng)uGS =0時，uDS對溝道的控制作用,a0uDS|UGS(off)|,(b) 沿溝道有電位梯度,(c)沿溝道PN結(jié)反偏電壓不同,(a) 漏極電流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)溝道PN結(jié)呈楔形,P+,buDS=|UGS(off)

4、|,(a) iD達(dá)到最大值,(b) 溝道點夾斷(預(yù)夾斷),cuDS|UGS(off)|,(a) iD達(dá)到最大值 幾乎不隨uDS的增大而變化,(b) 溝道夾斷區(qū)延長,當(dāng)uGS =0時，uDS對溝道的控制作用動畫演示,3當(dāng)uDS 0時，uGS(0）對溝道的控制作用,a. uDS和uGS將一起改變溝道的寬度,c.當(dāng)uDG= | UGS(off) | 時，溝道出現(xiàn)予夾斷。此時，uDS=|UGS(off)| + uGS,b.PN結(jié)在漏極端的反偏電壓最大。 uDG= uDS-uGS,uDS 、uGS共同對溝道的控制作用動畫演示,（1）JFET是利用uGS 所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的大小，,（2）場效

5、應(yīng)管為一個電壓控制型的器件。,（3） 在N溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為負(fù)值。,小結(jié)：,在P溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為正值。,即利用電場效應(yīng)控制溝道中流通的電流大小，因而稱為場效應(yīng)管。,3.1.3 結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性,在正常情況下，iG =0，管子無輸入特性。,1輸出特性（漏極特性）,特性曲線,可 變 電 阻 區(qū),放大區(qū),截止區(qū),可 變 電 阻 區(qū),(1) 可變電阻區(qū),a. uDS較小，溝道尚未夾斷,b. uDS |UGS(off)| + uGS,c. 管子相當(dāng)于受uGS控制的壓控電阻,各區(qū)的特點：,放大區(qū),(2) 放大區(qū),放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、恒流區(qū)。,b.

6、 uDS |UGS(off)| + uGS,a. 溝道予夾斷,c. iD幾乎與uDS無關(guān)。,d. iD只受uGS的控制。,截止區(qū),a. uGSUGS(off),(3) 截止區(qū),b.溝道完全夾斷,c. iD0,2轉(zhuǎn)移特性,表示場效應(yīng)管的uGS對iD的控制特性。,定義,轉(zhuǎn)移特性曲線可由輸出特性曲線得到,（1）對于不同的uDS，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線不同。,曲線特點：,（2）當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時，轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合。,當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時,稱為零偏漏極電流,3.1.4 結(jié)型場效應(yīng)管的主要電參數(shù),1直流參數(shù),(3) 直流輸入電阻RGS,(1) 夾斷電壓UGS(off),(2) 零偏漏極電流IDSS （

7、也稱為漏極飽和電流）,2交流參數(shù),(1) 跨導(dǎo)gm 也稱為互導(dǎo)。其定義為：,當(dāng)管子工作在放大區(qū)時,得管子的跨導(dǎo),由,可見，gm與IDQ有關(guān)。IDQ越大，gm也就越大。,3. 極限參數(shù),(1) 漏極最大允許耗散功率 PDSM,(2) 最大漏極電流IDSM,柵源電容Cgs,柵漏電容Cgd,漏源電容Cds,(3) 柵源擊穿電壓U（BR）GS,(4) 漏源擊穿電壓U（BR）DS,例 在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的 ；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個區(qū)？,（b）,（c）,（a）,解（a）因為uGSUGS(off) , 管子工作在截止區(qū)。,（b）因,管子工作在放大區(qū)。,（c）因這時的,管子工作在可變電

8、阻區(qū)。,3.2 絕緣柵型場效應(yīng)管,N溝道,IGFET,耗盡型,增強型,P溝道,N溝道,P溝道,絕緣柵型場效應(yīng)管的類別,3.2.1 增強型絕緣柵場效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu)示意圖,N+,S,G,D,N+,以P型半導(dǎo)體作襯底,SiO2保護層,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),故又稱為MOS管,管子組成：,a. 金屬 （Metal),b. 氧化物 (Oxide),c.半導(dǎo)體(Semiconductor),2. 工作原理,電路連接圖,(1) uGS =0 ,uDS0,源極和漏極之間始終有一個PN結(jié)反偏，iD=0,2uGS 0 ,uDS =0,產(chǎn)生垂直向下的電場,電場排斥空穴,形成耗盡層

9、,吸引電子,形成導(dǎo)電溝道,當(dāng)uGS =UGS(th)時,出現(xiàn)反型層,UGS(th)開啟電壓,N溝道增強型MOS管，簡稱NMOS,N溝道,3當(dāng)uGS UGS(th） ,uDS0時.,uDS,(b) 沿溝道有電位梯度,(a) 漏極電流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(b) 沿溝道有電位梯度,3當(dāng)uGS UGS(th） ,uDS0時.,(c)不同點的電場強度不同,左高右低,(a) 漏極電流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)溝道反型層呈楔形,(b) 沿溝道有電位梯度,3當(dāng)uGS UGS(th） ,uDS0時.,(c)不同點的電場強度不同,左高右低,(a) 漏極電流iD0 uDS增大

10、，iD增大。,a. uDS升高,溝道變窄,uDS,反型層變窄,b. 當(dāng)uGD =uGS-uDS=UGS(th）時,uDS,溝道在漏極端夾斷,(b) 管子預(yù)夾斷,(a) iD達(dá)到最大值,c. 當(dāng)uDS進一步增大,(a) iD達(dá)到最大值且恒定,uDS,uDS,溝道夾斷區(qū)延長,(b) 管子進入恒流區(qū),增強型NMOS管工作原理動畫演示,2伏安特性與參數(shù),a輸出特性,可 變 電 阻 區(qū),放大區(qū),截止區(qū),輸出特性曲線,(1) 可變電阻區(qū),a. uDS較小，溝道尚未夾斷,b. uDS uGS- |UGS(th)|,c.管子相當(dāng)于受uGS控制的壓控電阻,各區(qū)的特點：,可 變 電 阻 區(qū),2,4,0,6,10,

11、20,(2) 放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū)),a. 溝道予夾斷,c. iD幾乎與uDS無關(guān),d. iD只受uGS的控制,b. uDS uGS- |UGS(th)|,截止區(qū),a. uGSUGS(th),(3) 截止區(qū),b.溝道完全夾斷,c. iD=0,管子工作于放大區(qū)時函數(shù)表達(dá)式,b轉(zhuǎn)移特性曲線,式中，K為與管子有關(guān)的參數(shù),例 圖示為某一增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性。試求其相應(yīng)的常數(shù)K值。,解 由圖可知，該管的,UGS（th）= 2 V,當(dāng)UGS = 8 V 時，ID = 2 mA,故,3.2.2 耗盡型MOS管,1. MOS管結(jié)構(gòu)示意圖,絕緣層中滲入了正離子,出現(xiàn)反型層,形成導(dǎo)電溝道,導(dǎo)電溝道增寬,a

12、.,導(dǎo)電溝道變窄,b.,耗盡型MOS管可以在uGS為正或負(fù)下工作。,2伏安特性與參數(shù),a輸出特性曲線,b轉(zhuǎn)移特性曲線,函數(shù)表達(dá)式,工作于放大區(qū)時,增強型與耗盡型管子的區(qū)別：,耗盡型：,增強型：,當(dāng) 時，,當(dāng) 時，,MOSFET符號,增強型,耗盡型,JFET符號,場效應(yīng)管的特點（與雙極型三極管比較）,（1）場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，即通過uGS來控制iD；,雙極型三極管是一種電流控制器件，即通過iB來控制iC,（2）場效應(yīng)管的輸入端電流幾乎為零，輸入電阻非常高。,雙極型三極管的發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，有一定的輸入電流，基極與發(fā)射極間的輸入電阻較小。,（4）場效應(yīng)管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱

13、穩(wěn)定性較好，且存在零溫度系數(shù)工作點。,（3）場效應(yīng)管是利用多數(shù)（一種極性）載流子導(dǎo)電的。,在雙極型三極管中二種極性的載流子（電子和空穴）同時參與了導(dǎo)電。,（5）場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱，有時（除了源極和襯底在制造時已連在一起的MOS管）漏極和源極可以互換使用，且各項指標(biāo)基本不受影響，使用方便、靈活。,（6）場效應(yīng)管制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。,每個MOS場效應(yīng)管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管5%。,（7）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)小，當(dāng)組成放大電路時，在相同的負(fù)載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。,（8） 由于MOS管的輸入電阻高，由外界感應(yīng)產(chǎn)生的電荷不易泄露，而柵極上的絕緣層又很薄，這將在柵極上產(chǎn)

14、生很高的電場強度，以致引起絕緣層的擊穿而損壞管子。,2. 絕緣柵場效應(yīng)管的柵極為什么不能開路？,思 考 題,1. 試比較三極管和場效應(yīng)管的異同點。,3.3 場效應(yīng)管放大電路,3.3.1 場效應(yīng)管的偏置及其電路的靜態(tài)分析,1自給偏壓,IDQ,USQ= IDQ RS,UGSQ= -IDQ RS,(1) 電路,(2)自給偏壓原理,(3) 靜態(tài)分析,a. 方法一：圖解法,(a) 列寫輸出回路方程,(c) 作圖,(b) 列寫輸入回路方程,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,IDQ,M,N,Qo,UDSQ,Qi,UGSQ,作輸出回路直流負(fù)載線,作控制特性,作輸入回路直流負(fù)載線,b. 方法二：估算法,輸

15、入回路方程,當(dāng)管子工作于放大區(qū)時,兩式聯(lián)立可求得IDQ,由此可得,例 在圖示電路其中，VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M，F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。試求UGSQ 、IDQ和UDSQ 。,UGSQ =2.9V,解,由,2分壓式偏置,圖中,(1) 電路,(2) 靜態(tài)分析,故,分壓式偏置: 增強型、耗盡型,兩種偏置電路適用的FET：,自給偏壓：耗盡型,3信號的輸入和輸出,常用的耦合方式,一種典型的阻容耦合共源極放大電路,3.3.2 場效應(yīng)管的微變等效電路,由場效應(yīng)管工作原理知：,iD= f (uGS 、uDS),iG= 0,對iD全微分,rds為FET共源極輸

16、出電阻,故,或者,3.3.3 場效應(yīng)管組成的三種基本放大電路,1共源極放大電路,微變等效電路,由圖可知,式中,a. 求電壓放大倍數(shù),由圖可知,b. 求輸入電阻Ri,根據(jù)輸出電阻的定義：,由圖可知,畫出求輸出電阻的等效電路,c. 求輸出電阻Ro,2. 共漏極放大電路,微變等效電路,由圖可知,式中,a. 求電壓放大倍數(shù),輸入電阻,b. 求輸入電阻Ri,c. 求輸出電阻Ro,由圖可知,故電路的輸出電阻,3. 共柵極放大電路,微變等效電路,a. 求電壓放大倍數(shù),故,由于,b. 求輸入電阻Ri,故,c. 求輸出電阻Ro,畫出求Ro的等效電路,1. 比較共源極場效應(yīng)管放大電路和共發(fā)射極晶體管放大電路，在電路結(jié)構(gòu)上有何相似之處？為什么前者的輸入電阻較高？ 2. 為什么增強型絕緣柵場效應(yīng)管放大電路無法采用自給偏置？,思 考 題,例1 在圖示電路中: （1）如果電路輸入、輸出電壓的波形分別如圖(a)、(b)所示。試問該電路的靜態(tài)工作點可能處于或靠近哪個區(qū)？ （