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1、第5章 场效应三极管及其放大电路,赵宏安,场效应管利用电场效应来控制其电流的大小。只有电子或空穴导电，为单极型器件。输入阻抗高，温度稳定性好,结型场效应管JFET Junction Type Field Effect Transistor,绝缘栅型场效应管MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor，制造工艺成熟，用于高密度的VLSI电路和大容量的可编程器件或存储器,场效应管,MOSFET的结构和工作原理。FET放大电路的三种组态：共源极、共漏极、共栅极,MOSFET体积很小，在集成电路放大器中，常用来做成电流源作为
2、偏置电路或有源负载，带有源负载的放大电路,N,基底 ：N型半导体,两边是P区，参杂浓度高,栅极g,源极s,漏极d,5.1.1 JFET的结构和工作原理,导电沟道,1.结构,5.1 结型场效应管(JFET),利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应管,N沟道JFET,耗尽层是指该区间的载流子被电场驱赶除后，其间基本没有可参与导电的自由带电粒子,P,栅极g,源极s,漏极d,P沟道JFET,2.工作原理,vDS=0V时,N,g,s,d,vGS,iD,（1） vGS对沟道及iD 的控制作用,vGS绝对值越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大,vGS达到一定值时（夹断电压VP），耗尽区碰到一起，d
3、s间被夹断，这时，即使vDS 0V，漏极电流iD=0A,vGS0, PN结反偏，当|vGS|较小时，耗尽区宽度较小，存在导电沟道。ds间相当于线性电阻,N,g,s,d,iD,越靠近漏端，PN结反压越大，耗尽层越宽,vDS达到一定值时，出现预夹断， vDS=|VP |，IDIDSS,（2） vDS对iD 的影响,vDS,vDS继续增大，夹断长度增加,夹断处为耗尽层，电阻率很高，vDS降落其上，沟道上的压降基本不变。 iD基本不随vDS增加而增加，呈恒流特性,vDS达到一定值时，出现预夹断， vDS=|VP |，IDIDSS,vDS增加，沟道场强加大：,a. 有利于iD的增大,b. 电位梯度使导电
4、沟道呈锲形,当vDS较小时， iD随vGD升高几乎成正比地增大,vDS继续增加，靠近漏端的电位差最大，耗尽层最宽，当两耗尽层相遇时，称为预夹断： vGD=vGS- vDS =VP,iD达到饱和电流IDSS,iD/mA,vDS/V,IDSS,vGS=0,o,V(BR)DS,预夹断,改变栅源电压vGS，耗尽层宽度变化，漏极电流会随之改变，可以得到一族曲线,vDS对iD 的影响有两方面,预夹断点,预夹断轨迹,vGS=0,-0.4,可变电阻区压控电阻,饱和区放大区,击穿区,1. 输出特性,5.3.2 JFET的 N沟道特性曲线及参数,vGSVP时，iD=0称为截止区,iD=f(vDS)vGS=常数,可
5、变电阻区内：RDS= VGS/ ID随VGS而变,vGS/V,0,iD/mA,IDSS,VP,饱和漏极电流,夹断电压,vDS=10V,2. 转移特性,iD=f(vGS)vDS=常数,vDS=8V,JFET 栅极与沟道之间的PN结是反向偏置的，栅极电流iG几乎为零，输入电阻较高；JFET是电压控制电流器件，漏极电流iD受栅源电压vGS的控制；预夹断前，漏极电流iD与漏源电压vDS近似成线性关系，预夹断后，漏极电流iD趋于饱和,P沟道JFET工作时，电源极性与N沟道JFET的电源极性相反,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管,JFET小结,结型场效应管的缺点：,1
6、. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降,MOS管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，栅极处于不导电的状态，输入电阻高达1015,绝缘栅型场效应管MOSFET,5.1 金属氧化物半导体(MOS)场效应管,N沟道增强型,N,+,+,N,P型硅衬底,源极s,栅极g,漏极d,SiO2绝缘层,两个N区,N导电沟道,金属铝,1.结构,B衬底引线,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,N 沟道耗尽型,增强型是在外电场作用下，绝
7、缘层上出现电荷后，在沟道内干生出符号相反的载流子。耗尽型是在器件生成过程中预先参入大量不可移动的离子，不加电时，即可在沟道内感生出符号相反的载流子（即预埋导电沟道）,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,vGS=0时,对应截止区,MOSFET利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小,2. 工作原理,d-s间相当于两个反接的PN结,P,N,N,g,s,d,vGS,vGS0时,在漏源电源作用下开始导电时的栅源电源称为开启电压VT,vGS作用下，P衬底中的空穴受到电场力的排斥，形成负离子的耗尽层；同时电子被吸引到衬底表层,vGS足够大时（vGS VT ）感
8、应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道,vDS,在vDS作用下，产生漏极电流，管子导通,导电沟道相当于电阻将d-s连接起来，vGS越大电阻越小,正电荷积累,P,N,N,g,s,d,vDS,vGS,iD,夹断后，即使vDS 继续增加，压降降落在耗尽层上，即vDS的增加对iD基本无影响，iD呈恒流特性,vDS增加， vGD将减小，当 vGD= vGS vDS=VT时，靠近d端的沟道被夹断，称为预夹断,随着vDS上升，由于沟道存在电位梯度，导电沟道呈楔形,当vDS较小时，导电沟道在两个N区间是均匀的。漏极电流iD随vDS上升迅速增大,3. VI 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性
9、及大信号特性方程,iD=f (vDS)|vGS=constant,预夹断临界点轨迹vGD= vGS vDS=VT,vDSVGS-VT,饱和区,截止区vGSVT,ID0是vGS=2VT的iD,vDSVGS-VT,可变电阻区,原点附近输出电阻,（2）转移特性,iD=f (vGS)|vDS=constant,FET是电压控制器件，栅极没有电流,转移特性和输出特性反映FET工作的同一物理过程，转移特性可直接从输出特性上用作图法得到,N 沟道耗尽型,g,s,+,N,d,b,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P型硅衬底,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,+,预埋了导电沟道,当vGS=
10、0时，已有导电沟道，加入vDS，有较大iD当vGS0时，沟道增宽，iD进一步增加当vGS0时，沟道变窄，iD减小夹断电压（截止电压）VP：加反向电压到一定值沟道消失,1. 结构和工作原理简述,绝缘层掺有大量正离子,vGS= 0V,v DS (V),iD(mA),0,1,3,2,4,vGS= +1V,vGS= +2V,vGS= - 1V,vGS= - 2V,gm = iD / vGS =（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,输出特性曲线,2. VI 特性曲线及大信号特性方程,对于耗尽型FET：,转移特性曲线,IDSS：零栅压的漏极电流，饱和漏极电流,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、
11、直流参数,2. 夹断电压VP （或vGS(off)）：耗尽型MOS参数,vDS为某一固定值，使iD等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压,1. 开启电压VT （或vGS(th)）：增强型MOS参数,vDS为某一固定值，使iD等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压,3. 饱和漏极电流IDSS：,vGS=0，当vDS |VP|时的漏极电流,4. 直流输入电阻RGS：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻,2. 低频互导gm,互导反映了vGS对iD的控制能力，相当于转移特性曲线上工作点的斜率。单位是mS或S,1. 输出电阻rds,十分之几至几mS，互导随管子工作点不同而变,几
12、十千欧到几百千欧,二、交流参数,N沟道EMOSFET,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V(BR)DS,4. 最大栅源电压V(BR)GS,发生雪崩击穿、iD 开始急剧上升时的vDS值,栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值,PDM= vDS iD,受管子最高工作温度的限制,三、极限参数,1. 最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流允许的上限值,场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，而且集成度高，因此越来越广泛的应用于各种电子设备中,BJT b e c,FET g s d,不能简单的用FET取代BJT，应注意两者在偏置电路和
13、微变等效电路的区别,5.2 MOSFET放大电路,FET的3个极与BJT的3个极存在对应关系：,根据求得的VDS判断FET工作在饱和区或可变电阻区,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路,FET是电压控制器件，需要有合适的栅极电压，保证管子工作在饱和区，输出信号不失真,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,vs,当NMOS管工作在饱和区,在MOS管中接入源极电阻，也具有稳定静态工作点的作用,很多MOS管电路的源极电阻被电流源代替（例5.2.3）,2. 图解分析,iD,vDS,o,VDD,预夹断临界点轨迹（vGD= vGS vDS=VT）,VDD/Rd,o,o,t,t,
14、iD,IDQ,VDSQ,id,vds,vi,VGS=VGG,Q,vDS,VGG VT,VDD 足够大，场效应管工作于饱和区,3. 小信号模型分析,输入信号很小，FET工作在饱和区，看成双口网络，N沟道EMOS,第三项与输入信号平方成正比，当vi=vgs为正弦时，平方项使输出电压产生谐波或非线性失真,小信号条件：vgs2(VGSQ-VT),共源极NMOSFET低频小信号模型,FET的高频模型（b、s相连）,互导gm,vs,例 电路如图,vo,R,vi,g,Rd,Rg1| Rg2,s,d,Rs,vs,+,-,vs,+VDD,vo,vi,B,Cb,Rg1,Rg2,g,d,s,T,iD,Rs,R,例：
15、电路如图（电压跟随）,同相放大电压跟随,vo,R,vi,g,rds,Rg1|Rg2,s,d,Rs,R,s,d,Rs,g,计算输出电阻时，信号源置零，除去负载，在输出端加测试源vT,rds,Rg1|Rg2,（1）自给偏压：利用漏极电流在源极电阻上的直流压降,该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路（N沟道结型器件电路）。增强型FET不能用自偏压电路,VDD,vo,ID,vi,C,Cb2,Cb1,Rd,Rg,g,d,s,R,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析方法,0. 直流偏置电路,VGS= -RID,转移特性,利用VGS与ID的关系，联立求解。解出静态工作点VGS 、
16、ID 、VDS,（2）分压式自偏压电路,VDD,vo,R,vi,C,Cb2,Cb1,Rg1,Rd,Rg3,Rg2,g,d,s,1. FET的小信号模型,FET是一个电压控制元件，当输入信号较小、且FET工作在恒流区，低频共源接法下，有：,写成相量形式：,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替,g,s,d,s,g,d,rds,vgs,gmvgs,vds,rgs,s,g,d,rds,vgs,gmvgs,vds,低频小信号模型,戴维南电源等效,FET的高频模型,VDD,vo,R,vi,Cb2,Cb1,Rg1,Rd,Rg3,Rg
17、2,g,d,s,2. 应用小信号模型法分析FET电路,共源极放大电路,vo,R,vi,g,Rg1,Rd,Rg3,Rg2,rd,rgs,s,d,VDD,vo,R,vi,Cb2,Cb1,Rg1,Rg3,Rg2,G,D,S,RL,Rs,vs,共漏极放大电路,同相放大电压跟随,vo,R,vi,g,Rg1,RL,Rg3,Rg2,s,d,Rs,R,Rg1,Rg3,Rg2,s,d,Rs,g,计算输出电阻时，信号源置零，除去负载，在输出端加测试源vT,例 共漏极放大电路。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻,（1）中频电压增益,（2）输入电阻,（3）输出电阻,(1)场效应管放大器输入电阻很大(2)场效应管共源
18、极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=Rd(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小,各种类型的MOSFET的输出、转移特性；共源、共漏极放大电路的分析计算,小结及重点,MOS器件主要应用在数字集成电路方面,JFET在低噪声放大电路方面有广泛应用,（4）焊接时，电烙铁必须有外接地线，以屏蔽交流电场。对MOSFET，最好断电利用烙铁余热焊接,（1）在MOS管中，有的产品将衬底引出，可让使用者视电路的需要任意连接。一般P衬底接低电位、 N衬底接高电位。当源极的电位很高或很低时，为减轻源衬间电压对管子导电性能的影响，可将源极与衬底连在一起
19、,（2）从场效应管的结构上看，源极和漏极是对称的，可以互换。但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时源极与漏极就不能对调,（3）JFET的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保存。 MOSFET栅衬之间的电容量很小，只要有少量的感应电荷就可产生很高的电压，RGS很大，感应电荷难于释放，而且绝缘层很薄，极易被击穿。无论在存放还是工作电路中，应在栅极源极之间提供直流通路或加双向稳压对管保护，避免栅极悬空,2. 使用注意事项,双极型和场效应型三极管的比较,1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似 2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD
20、，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC3场效应管栅极几乎不取电流（ig0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管,5场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，值将减小很多6场效应管的噪声系数很小，在低噪
21、声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中,例5.5.1：BJT和FET组合电路,电子电路设计中，首先根据技术要求选组态，然后确定器件，最后设计电路,vs,Rc,vo,rbb,ic,vi,g,s,d,rbe,Cbe,Cgd,b,e,b,c,Rs,Cgs,Cbc,R2,高频小信号等效电路,Rc,vo,ic,g,s,d,rbe,Cbe,Cgd,b,e,c,Rs,Cgs,Cbc,R2,R2很小，视Cgs与Rg为并联,rbb很小，视为短路,Rg很大，视为开路,vs,vi,Rc,vo,ic,g,s,d,rbe,Cbe,Cgd,b,e,c,Rs,Cgs,Cbc,R2,vs,vi,ie,FET的负载为re，由此计算出FET的中频增益,Cgd跨FET的输入输出间，利用密勒定理将其折算到输入端,Rc,ic,g,s,d,re,Cbe,b,e,c,Rs,CCM+Cgs,Cbc,R2,ie,由此看出，高频的模型为三阶低通电路，三个上限频率,vs,vi,vo,
