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第四章 场效应管放大电路

N 沟道. 结型. P 沟道. 场效应管：. 增强型. N 沟道. 耗尽型. MOS 型. 增强型. P 沟道. 耗尽型. 第四章 场效应管放大电路. 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件， 是仅由一种载流子参与导电的半导体器件 。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的 N 沟道 器件和空穴作为载流子的 P 沟道 器件。. §4.1 绝缘栅型场效应管 ( Insulated Gate Field Effect Transister).

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第四章 场效应管放大电路

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Presentation Transcript

  1. N沟道 结型 P沟道 场效应管： 增强型 N沟道 耗尽型 MOS型 增强型 P沟道 耗尽型 第四章 场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。

  2. §4.1 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister) 绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管MOSFET( Metal OxideSemiconductor FET)是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。 增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。 耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。

  3. 1. 结构和符号（以N沟道增强型为例） N沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为G D(Drain):漏极，相当cG(Gate):栅极，相当bS(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底

  4. 2. 工作原理（以N沟道增强型为例） （1）栅源电压VGS的控制作用 (a) VGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。 VGS =0， ID =0 VGS必须大于0 管子才能工作。

  5. （1）栅源电压VGS的控制作用 （b）当栅极加有电压时，若 0＜VGS＜VGS(th) （ VT称为开 启电压)时，在Sio2介质中产生 一个垂直于半导体表面的电场， 排斥P区多子空穴而吸引少子电 子。 但由于电场强度有限，吸 引到绝缘层的少子电子数量有 限，不足以形成沟道，将漏极 和源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。 0＜VGS＜VT ，ID=0

  6. （1）栅源电压VGS的控制作用 (c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时VDS>0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加 VGS >0g吸引电子反型层导电沟道 VGS 反型层变厚 VDS ID 

  7. （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时， VGD=VGS－VDS＞VT，沟道分布如图，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。 这时，ID随VDS增大。 VDS ID 

  8. （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （b）当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。

  9. （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （c）当VDS增加到VGDVT时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变 VDS ID 不变

  10. iD iD vDS /V vGS /V ID=f(VGS)VDS=const 转移特性曲线 ID=f(VDS)VGS=const 输出特性曲线 3. 特性曲线（以N沟道增强型为例） 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。 gm的量纲为mA/V，称为跨导。 gm=ID/VGS VDS=const

  11. iD vDS /V 输出特性曲线 (1) 截止区（夹断区） VGS< VT以下区域就是截止区 VGS VT ID=0 (2) 放大区（恒流区） 产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VGS -VDS  VP  VDSID不变 处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源 (3)饱和区（可变电阻区） 未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域 VGS -VDS  VP  VDSID 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻

  12. 4.其它类型MOS管 （1）N沟道耗尽型： N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。

  13. N 沟 道 增 强 型 绝缘栅场效应管 P 沟 道 增 强 型 各种类型MOS管的特性曲线

  14. N 沟 道 耗 尽 型 绝缘栅场效应管 P 沟 道 耗 尽 型 各种类型MOS管的特性曲线

  15. 5. 场效应管的主要参数 • 开启电压VT ：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的 • 最小 |VGS | 值。（增强） • 夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 • 时的 |VGS | 值。（耗尽） • 饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 • 极电流。（耗尽） • 极间电容：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 • 漏极电容CGD约为1~3pF。

  16. (5) 低频跨导 gm：表示vGS对iD的控制作用。 在转移特性曲线上， gm是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。 场效应管的主要参数 (6) 最大漏极电流 IDM (7) 最大漏极耗散功率 PDM (8) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS

  17. 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。

  18. 几种常用的场效应三极管的主要参数见表

  19. §4. 2 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister) 1. N沟道结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。 它是在N型半导体硅片 的两侧各制造一个PN结， 形成两个PN结夹着一个 N型沟道的结构。P区即 为栅极g(G)，N型硅的 一端是漏极d(D)，另一 端是源极s(S)。 箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。

  20. ID 2. 工作原理 结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。 N沟道结型场效应管工作原理： （1）VGS对导电沟道的影响： (a) VGS=0，VDS=0，ID=0 VP(VGS(OFF) )：夹断电压 栅源之间是反偏的PN结， RGS>107，所以IG=0

  21. (b) 0< VGS <  VP  (c) |VGS |=  VP ， 导电沟道被全夹断  VGS   耗尽层变宽 工作原理 VGS控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。

  22. ID 工作原理 （2）VDS>0 但|VGS-VDS|< | VP |，时 (a) VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽。 VDS ID 

  23. ID 工作原理 (b) | VGS- VDS |= | VP |时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断。 VGS=0时，产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS

  24. ID 工作原理 (c) VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变。

  25. IDSS是在VGS = 0， VDS > |VP | • 时的漏极电流 3. 特性曲线 VDS=10V时的转移特性曲线 当|vGS - vDS ||vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。实验证明，当|vGS - vDS ||VP | 时，iD可近似表示为：

  26. 双极型和场效应型三极管的比较

  27. +Vdd s Tp Tp Vo Vo Vi Vi Tn Tn s 4.3 场效应管应用 例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0<|VT|<Vdd Tp:p沟道增强型，Tn:n沟道增强型 Vi=+Vdd时： Tp:VGSp=0>VT，截止 Tn:VGSn=Vdd>VT，导通 Vo= 0 Vi= 0时： Tp:VGSp=-Vdd<VT，导通 Tn:VGSn=0<VT，截止 Vo= +Vdd

  28. vi vo 场效应管应用 例2：压控电阻 场效应管工作在可变电阻区时，iD随vDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受vGS控制的电阻。

  29. §4.4 场效应管放大电路 场效应管的小信号模型 共源极放大电路 共漏极放大电路 共栅组态基本放大电路

  30. 已知场效应管输出特性表达式： 求全微分: 其中： 低频跨导, 可从输出曲线上求出 漏极与源极间等效电阻 变化量 4.4.1 场效应管的小信号模型

  31. 场效应管的小信号模型 一般rds很大，可忽略，得简化小信号模型:

  32. 4.4.2 共源极放大电路 以NMOS增强型场效应管为例 三极管与场效应管三种组态对照表：

  33. 电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。 图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。

  34. 直流通路 直流分析（估算法） 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VG－VS= VG－IDR ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 VDS= VDD－ID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。

  35. 微变等效电路 交流分析

  36. 与三极管共集电极电路对应 直流通路： 4.4.3 共漏极放大电路 直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VG－VS= VG－IDR ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 VDS= VDD－IDR 由此可以解出VGS、ID和VDS。

  37. 交流分析

  38. 输出电阻

  39. 4.4.4 共栅极放大电路 Ro≈Rd

  40. VDD 18V Rd 15K C2 C1 0.1u Q +vo - 0.01u RL +vi - 18K Rg R C3 2K 10M 10u 例题1 共源 已知： gm=0.3mA/V IDSS=3mA VP=-2V 解：静态分析： VGS=-RID ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 代入参数得： 3ID2-7ID+3=0 IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去） VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V

  41. 例题1解 动态分析： Ri=Rg=10MΩ Ro=Rd=15KΩ

  42. VCC RC2 15V Rd 12k 15k Q3 Q2 C2 Re1 Q1 200 + vi - Rg Rs + vo - 10M RL 2k Re3 Re2 C1 2k 3.6k 20k 例题2 多级放大电路 已知： VBE=0.6V, =120, gm=3mA/V, VP=-2V, IDSS=4mA 解：静态分析： VGS=-RsID ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 代入参数得： 4ID2-9ID+4=0 ID=0.61mA ID=1.64mA（舍去） VGS=-1.22V VD≈VCC-IDRd=5.85V （忽略IB2） IE2=(VD－VBE2)/(Re1+Re2) =0.26mA VC2≈VCC-IE2RC2=11.88V（忽略IB3） IE3= (VC2－VBE3)/Re3=3.13mA VCE2≈VCC-IE3Re2=3.72V rbe2=12.9k rbe3=1.2k

  43. VCC RC2 15V Rd 12k 15k Q3 Q2 C2 Re1 Q1 200 + vi - Rg Rs + vo - 10M RL 2k Re3 Re2 C1 2k 3.6k 20k 例题2解 动态分析： Ri=Rg=10M Ri2= rbe2+(1+  )Re1 =37.1k Ri3= rbe3 +(1+  )Re3//RL =156k

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