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1、第3章 场效应管及其基本放大电路,内容导航,3.0 教学基本要求,3.1 结型场效应管,3.2 绝缘栅场效应管,3.3 场效应管的主要参数、特点及使用注意事项,3.4 场效应管基本放大电路,教学基本要求,掌握:,单极型半导体三极管的外特性；共源、共漏放大电路的工作原理，静态工作点估算及用简化小信号模型电路分析电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,熟悉:,单极型半导体三极管的工作原理，主要参数及使用方法；共源、共漏放大电路的主要特点和用途。,3.1 结型场效应管,场效应管是一种由输入信号电压来控制其电流大小的半导体三极管，所以是电压控制器件。,场效应管的分类,根据结构不同分类：,结型场效应管和绝缘
2、栅场效应管,场效应管的特点：,1. 输入端基本上不取电流，一次输入电阻非常高， 一般可达1081015 ；,2. 具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。,3.场效应管都是仅由一种载流子（多数载流子）参与导电的半导体器件，故又称为单极型三极管。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。,3.1.1结型场效应管（JFET）的结构,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
3、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。,3.1.2 JFET的工作原理和特性曲线,N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电，栅极与沟道之间的PN结为反偏。 在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受uGS的控制。,P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴,当uGS0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小；,uGS更负，沟道更窄，iD更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断， iD0。这时所对应的栅源电压uGS称为夹断电压UGS(off
4、)。,一、uGS对导电沟道的影响,二、uDS对导电沟道的影响,在栅源间加电压uGSUGS(off)，漏源间加电压uDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为uGD=uGS-uDS，比源端耗尽层所受的反偏电压uGS大,使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故uDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。,随uDS增大，这种不均匀性越明显。,当uDS增加到使uGD=uGS-uDS =UGS(off) 时，在紧靠漏极处出现预夹断点，,当uDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要uDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极
5、饱和电流。,JFET伏安特性曲线,一般情况下，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此UDS的增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，所以可近似认为D是不随UDS而变化的恒值。,根据管子的工作状态，可将输出特性曲线族分为四个区域：,（1）可变电阻区,是uDS较小，管子尚未预夹断时的工作区域。虚线为不同uGS是预夹断点的轨迹，故虚线上各点uGD=UGS(off)，则虚线上各点对应的uDS=uGS-UGS(off)。,2、改变uGS时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间可以看成一个由uGS控制的线性电阻，即压控电阻。uGS愈负,
6、特性曲线斜率愈小,等效电阻愈大。,特点：,1、iD几乎与uDS成线性关系，管子相当于线性电阻。,（2）恒流区（饱和区）,特性曲线近似水平的部分，它是JFET预夹断后所对应的工作区域。,特点：,1、输出电流iD 基本上不受输出电压uDS的影响，仅取决于uGS，故特性曲线是一族近乎平行于uDS轴的水平线。,2、输入电压uGS控制输出电流,（3）击穿区,特性曲线上翘部分。,uDSU(BR)DS，管子不允许工作在这个区域。,（4）夹断区（截止区）,输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在uGS UGS（off）时，管子的导电沟道完全被夹断。,特点：,iD0,三、转移特性曲线,指JFET漏源电压uDS一定
7、时，输出电流iD与输入电压uGS的关系曲线，即,下图为一条uDS=10V时的转移特性曲线,当管子工作在恒流区，uDS对iD的影响很小。,IDSS是在uGS = 0， uDS |UGS(off) |时的漏极电流,实验证明，当管子工作在恒流区，iD可近似表示为：,3.1.3 主要参数, 夹断电压Up 饱和漏极电流IDSS 最大漏、源电压U(BR)DS 最大栅、源电压U(BR)GS 最大耗散功率PDM 直流输入电阻RGS低频互导gm当uDS为某一确定值时，漏极电流的微小变化量与引起它变化的栅、源电压的微小变化量之比称为gm 。gm是表征场效应管放大能力的一个重要参数，单位为mS。当UPuGS0）时，
8、gm的近似估算公式为,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。,3.2 绝缘栅场效应管,绝缘栅型(IGFET)场效应管又称金属氧化物场效应管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)，简
9、称MOS管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.它也有N沟道和P沟道两种，其中每类又分为增强型和耗尽型两种。,增强型：uGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在uDS作用下无iD。,耗尽型：uGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在uDS作用下有iD。,3.2.1 N沟道增强型MOSFET,一、结构和符号,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
10、。,二、工作原理与特性曲线,(a) uGS=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。 uGS =0， iD =0,(b) 当 0uGSUGS(th) (开启电压)时， 但由于电场强度有限，数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流iD。,(c)进一步增加uGS，当uGSUGS(th)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uDS0，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，
11、故称为反型层。随着uGS的继续增加，反型层变厚，iD增加,把开始形成反型层的uGS值称为该管的开启电压UGS(th)。,这时，若在漏源间加电压 uDS，就能产生漏极电流 iD，即管子开启。,uGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 uDS 电压作用下， i D 越大。这样，就实现了输入电压 uGS 对输出电流 i D 的控制。,把开始形成反型层的uGS值称为该管的开启电压UGS(th)。,这时，若在漏源间加电压 uDS，就能产生漏极电流 iD，即管子开启。,uGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 uDS 电压作用下， i D 越大。这样，就实现了输入电压 uGS
12、对输出电流 i D 的控制。,N沟道增强型MOSFET特性曲线,输出特性,转移特性曲线,U,u,u,i,3.2.2 N沟道耗尽型MOSFET,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uGS=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。无须加开启电压（uGS=0）。,当uGS0 时，将使iD进一步增加。uGS0时，随着uGS 的减小iD 逐渐减小，直至 iD=0。对应iD=0 的 uGS 值为夹断电压 UGS(off) 。,转移特性曲线,输出特性曲线,3.2.3 P沟道MOSFET简
13、介,P沟道MOS管和N沟道MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，PMOS管是以N型硅作为衬底，而漏极和源极从P区引出，形成的反型层为P型，相应的沟道为P型沟道。对于耗尽型PMOS管，在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子。,使用时，uGS的极性与NMOS管相反。增强型PMOS管的开启电压UGS（th）是负值，而耗尽型的P沟道场效应管的夹断电压UGS(off)是正值。,3.3 场效应管的主要参数、特点及注意事项,3.3.1 场效应管的主要参数,一、性能参数,1. 开启电压UGS(th) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。,2. 夹断电压U
14、GS(off) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当uGS=UGS(pff)时,漏极 电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当uGS=0时所对应的漏极电流。,4.直流输入电阻RGS结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。,5.低频跨导 gm ：表示uGS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。,二、极限参数,1、最大漏极电流IDM 是指管子在工作时允许的最大漏极电流。,2、最大耗散功率PDM PDM=uDSiD，它受管子的最高工作温度的限制。,
15、3、漏源击穿电压U（BR）DS 漏、源极间所能承受的最大电压。,4、栅源击穿电压U（BR）GS 漏、源极间所能承受的最高电压。,3.3.2 场效应管的主要特点及使用注意事项,一、特点和选管原则,1、电压控制器件，栅极基本上不取电流，输入电阻高。所以， 常用在那些只允许信号源是取小电流的高精度、高灵敏度 的测量仪器、仪表等。,2、参与导电的只是多子。所以不易受温度、辐射等外界因素 影响，用在环境条件变化较大的场合。,3、噪声较小。对于低噪声、稳定性要求高的线性放大电路宜 采用。,4、制造工艺简单，所占的芯片面积小，功耗很小，使用于大规模集成。,5、 源极和漏极结构对称，可以互换使用。,二、使用注
16、意事项,1、使用时，各极电源极性应按规定接入;各极限参数规定的数值绝对不能超过。,2、MOS管的衬底和源极通常连接在一起，若需分开，则衬源间的电压要保证衬源间PN结反向偏置。,3、贮存时，应将管子的三个电极短路；把管子焊接到电路上或取下时，应先用导线将各电极绕在一起；焊接管子，最好断电利用余热焊接。,4、JFET可在栅源极开路状态下贮存，用万用表检查；MOS管必须用测试仪，良好接地。,场效应管是电压控制器件，要建立合适的静态工作点Q，需要有合适的栅极电压，避免输出波形产生严重的非线性失真。通常偏置的形式有两种。1.自偏压电路 自偏压电路适用于结型场效应管或耗尽型 场效应管，与晶体管的射极偏置电
17、路相似。2.分压式偏置电路 能够稳定静态工作点，而且适用于由各种类型FET构成的放大电路。,3.4 场效应管基本放大电路,因Rg上没有压降， IG0，所以s极直流电位与地相等。 依靠电流ID在R上的电压降，使电路自行提供栅极偏压.UGS=-IDR。 为减少R对放大倍数的影响， 在R两端同样也并联一个足 够大的旁路电容C，称为源 极旁路电容。,一、自偏压电路,耗尽型NMSFET的栅偏压是依靠自身电流ID产生的，故称为自偏压电路。,3.4.1 FET的偏置电路及静态分析,自偏压电路求解方程式：,则：,二、分压式偏置电路,栅极电压 UGRg2UDD(Rgl+Rg2) 电阻R上的压降US=IDR 静态
18、时栅源电压为 UGS=UG-US= -(IDR-Rg2UDD/( Rg1+ Rg2) 上式称为分压式偏置电路的偏置线方程。这种偏压电路适用于增强型管子的电路。,分压式自偏压电路,设UGS=0，则：,则栅偏压,而,3.4.2 FET放大电路的小信号模型分析法,一、FET的简化小信号模型,FET是非线性器件，但当工作信号幅值足够小、且工作在恒流区时，也可用线性电路小信号模型来代替。,二、用小信号模型法分析FET放大电路,1、共源极放大电路,共源极放大电路的输出电压与输入电压反相；输入电阻高，输出电阻主要由Rd决定.,2、共漏极放大电路,与三极管共集电极电路对应,直流分析UG=UDDRg2/(Rg1
19、+Rg2)UGS= UGUS= UGIDRID= IDSS1(UGS /UGS(off)2UDS= UDDIDR由此可以解出UGS、ID和UDS。,直流通路：,交流分析：,电压放大倍数：,输入电阻：,当Rg（Rg1Rg2）时， RiRg,小结,1. 场效应管是除双极型晶体管之外的另一种常用半导体器件。与晶体管相比，二者不同之处在于：晶体管是电流控制器件，有两种载流子参与导电，属于双极型器件；而场效应管属于单极型器件，只依靠一种载流参与导电，是电压控制器件，即用栅极电压UGS去控制输出电流ID，其电压控制作用表现为ID = gm UGS 。2. 虽然场效应管和晶体管这两种器件的控制原理有所不同，
20、但通过类比可发现，将晶体管的三个极b、e、c与场效应管的三个极g、s、d相对应，就能得到形式极为相似的场效应管放大电路。,小结,3. 在场效应管放大电路中，UDS的极性决定于沟道性质，N(沟道)为正，P(沟道)为负；不同类型的场效应管，对偏置电压的极性有不同要求：结型场效应管的UGS与UDS的极性相反，增强型MOS场效应管UGS与UDS的极性相同，耗尽型MOS场效应UGS的极性可正、可负、可为零。4. 静态分析有图解法和计算法两种。计算法则是利用转移特性的近似公式与偏置线方程（UGS=f(ID)的关系式）联立求解即可得静态值。5. 动态分析是利用微变等效电路进行分析，分析方法与三极管放大电路相同。,
