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1、第四章 场效应管放大电路,第一节 结型场效应管第二节 金属-氧化物-半导体场效应管第三节 场效应管放大电路,教学目的和要求：1.理解结型场效应管和金属-氧化物-半导体场效应管的知识。2.掌握场效应管放大电路的原理和分析方法。教学重点与难点：重点：场效应管的工作原理，场效应管放大电路分析方法。难点：结型场效应管的特性曲线，小信号模型分析法。,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。,第一节 结型场效应管（JFET）(Junction type Field Ef
2、fect Transister),利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。,一、JFET的结构和工作原理1、结构,在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区（P+），形成两个PN结。两边P+型区连在一起为栅极g，N型本体两端各引出电极，分别为源极s和漏极d。两个PN结中间的N型区域为导电沟道。称为N型沟道JFET,高浓度P型区（P+）,分别相当于BJT的基极b、射极e和集电极c,JFET的结构,N型沟道JFET的符号中箭头方向表示栅结正向偏置时，栅极电流的方向是由P指向N。,高浓度N型区（N+）,P型沟道JFET,2、工作原理（以N沟道为例）,N沟道场效应管工作时，在栅极与源极
3、之间加负电压，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vGS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。,（1）栅源电压vGS对iD的控制作用,当VGS0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小；,VGS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VGS称为夹断电压VP。,VGS控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。,（2）漏源电压vDS对iD的影响,在栅源间加电压VGSVP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏
4、电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大，(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点，,随VDS增大，这种不均匀性越明显。,（2）漏源电压VDS对iD的影响,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点，,当VDS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VDS降落在该区，由此
5、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，形成漏极饱和电流IDSS。,VDS夹端长度 场强ID=IDSS基本不变。（IDSS是在VGS=0，VDS|VP|时的漏极电流）,iD基本上不随vDS增加而上升，漏极电流趋于饱和。,N沟道JFET工作等效,结论：（1）JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，其iG0，输入电阻很高。（2）JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。vGS愈负，耗尽层愈宽，沟道电阻愈大，相应的iD就愈小。（3）预夹断前，iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET的电源极性相反。,二、JF
6、ET的特性曲线及参数,1、输出特性 JFET的输出特性是指在栅源极电压vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系，即,(1)恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:a.受控性：输入电压vGS控制输出电流iD。（一组非等距、较平坦的平行线）,b.恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。,用途:可做放大器和恒流源。,条件：|VGS-VDS|VP|预夹断后,VP=VGS-VDS,IDSS是在VGS=0，VDS|VP|时的漏极电流,(2)可变电阻区特点:a.当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。,管压降vDS
7、很小。用途：做压控线性电阻和无触点 的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断。,（3）夹断区（截止区）特点：iD=0用途：做无触点的、接通状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断。vGSVP（4）击穿区,当漏源电压增大到一定数值（V(BR)DS）时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。由于VGD=VGS-VDS，故vGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。,2、转移特性,在一定漏源电压vDS下，栅源（输入）电压vGS对漏极电流（输出）iD的控制特性。,作图法,改变vDS，可得一族转移特性曲线。当vDS大于一定的数值后，不同vDS的转移特性是很接近的，可认为转移特性重合
8、为一条曲线。,当vGS=0,VDS|VP|时 ID=IDSS,饱和漏极电流,夹断电压,特点：iD/vGS 常数=gm 即：iD=gm vGS（放大原理）,互导放大,3、JFET的主要参数,（1）夹断电压VP：手册给出是iD为一微小值时的VGS。（2）饱和漏极电流IDSS：在 vGS=0的情况下，当vDS VP 时的漏极电流ID称为饱和漏电流IDSS。（3)最大漏源电压V(BR)DS:指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。（4）最大栅源电压V(BR)GS:指输入PN结反向电流开始急剧增加时的vGS值。（5）直流输入电阻RGS:在漏源之间短路条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻。,（
9、6）低频互导（跨导）gm：当vDS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比。,互导是表征FET放大能力的一个重要参数，单位为mS或S。互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性上工作点的斜率。近似估算：,（7）输出电阻 rd：说明了vDS对iD的影响，是输出特性某一点上切线斜率的倒数。在饱和区（线性放大区），iD随vDS改变很小，rd的数值很大。,（8）最大耗散功耗PDM：耗散功率等于vDS与iD的乘积，即PDM=vDS iD。应限制其耗散功率不超过PDM。,结型场效应管的特性小结,第二节 金属-氧化物-半导体场效应管,MOSFET(Metal Oxide
10、Semiconductor 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，也称为表面场效应器件。它的栅极与半导体之间是绝缘的（不导电），其输入电阻可大为提高，最高可达1015。增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，iD=0。耗尽型：VGS=0时，漏源之间存在导电沟道，iD0。,N沟道 P沟道 增强型,N沟道 P沟道 耗尽型,一、N沟道增强型MOSFET,1、结构：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型区引出电极作为漏极d和源极s,在绝缘层上镀
11、一层金属铝并引出一个电极作为栅极g。,P型基底,两个N+区,SiO2绝缘层,导电沟道（感生沟道）,金属铝,N沟道增强型,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,N 沟道耗尽型,预埋了导电沟道（绝缘层掺大量的正离子）,2、工作原理,JEFT是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。MOSFET是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。,N型沟道JFET,N型沟道增强型MOSFET,2、工作原理（以N 沟道增强型为例）,VGS=0时,对应截止区,绝缘栅极（栅极与 源极、漏极均无电接触）,VGS0时,感应出电子
12、,VT称为开启（阈值）电压,介质中产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场,VGS较小时，导电沟道相当于电阻将漏区d和源区s连接起来。VGS越大，电场越强，感生沟道越厚，此沟道电阻越小。,当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当VGS=VT（开启电压）时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成ID。,-,-,-,-,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，VDS之间加上电压也不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当VGSVT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。,开始无导电沟道，当在
13、VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,当VDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当VDS较大时，靠近漏区的导电沟道变窄。,VDS增加，VGD=VT 时，靠近漏端的沟道被夹断，称为预夹断。,MOSFET是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。JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,3、特性曲线,VDS,可变电阻区,截止区ID=0,NMOS的输出特性曲线,2.0V,4.0V,6.0V,VGS=8.0V,A,ID,恒流区,0,击穿区,VDS=5V,VGS,V,ID A,0 2 4
14、 6 8,20015010050,20015010050,NMOS的转移特性曲线,二、N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的P型衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。,耗尽型的MOS管VGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,VGS0时，使沟道中感应的负电荷减少；随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。与JFET相类似，称为耗尽型。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP。当VGS0 时，将使
15、ID进一步增加。,N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流，是耗尽型MOSFET的一个重要特点。,各种类型MOS管的特性曲线,各种类型MOS管的特性曲线,三、说明：（1）MOS管由四种基本类型；（2）MOS管的特性与结型场效应管的特性类似；（3）增强型的MOS管的VGS必须超过一定的值以使沟道形成；耗尽型的MOS管预埋了导电沟道，VGS可正可负；（4）MOS管的输入阻抗特高；（5）衡量场效应管的放大能力用跨导表示 单位：ms,四、MOS管的有关问题,1、主要参数（1）直流参数开启电压VGS(th)指增强型的MOS管夹断电压VGS(off)指耗尽型的MOS管饱和漏电
16、流IDSS直流输入电阻：通常很大107左右,（2）交流参数低频跨导：极间电容：栅源电容CGS，栅漏电容CGD，漏源电容CDS（3）极限参数 最大漏极电流IDM，最大耗散功率P0M，漏源击穿电压V(BR)DS栅源击穿电压VBR)GS,2、场效应管与三极管的比较,3、使用注意事项（1）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存；（2）MOSFET管在不使用时，须将各个电极短接（输入电阻很高）；（3）焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊接；（4）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而MOS管必须用专门的仪器来检测；（5）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接。,4、场效
17、应管类型的判断（根据转移特性曲线）,沟道类型：N型或P型 N沟道iD随vGS的增加逐渐增加；P沟道iD随vGS的增加逐渐减小。,N沟道耗尽型JFET,P沟道增强型MOSFET,耗尽型与增强型：MOSFET增强型vGS正向偏置时存在导电沟道，有开启电压VT且转移曲线在一个坐标象限；,N沟道耗尽型JFET,P沟道增强型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET,习题：P190 4.1.3 4.3.1 4.3.4,JFET耗尽型vGS反向偏置，超过夹断电压VP可夹断导电沟道（存在IDSS和VP），转移曲线在一个坐标象限；,MOSFET耗尽型vGS正反向偏置均可，反偏时可夹断导电沟道（存在IDSS和VP）
18、，且转移曲线在两个坐标象限。,第三节 场效应管放大电路,(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。,(2)动态：能为交流信号提供通路。,组成原则：,分析方法：,场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极电流的变化。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏极特性（输出特性）的水平部分，漏极电流iD的值主要取决于vGS，而几乎与vDS无关。,一、FET的三种工作组态以NMOS（E）为例：增强型,二、FET的直流偏置电路及静态分析,1、直流偏置电路FET是电压控制器件，需要有合适的栅极电压，保证管子工作在恒流区，输出信号不失真。,（1）自偏压电路,注意：
19、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。（耗尽型）,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS,Rg：使g与地的直流电位几乎相同（因上无电流）。R：当IS流过R时产生直流压降ISR，使S对地有一定的电压：VGS=ISR=IDR0,（2）分压式自偏压电路：增加分压电阻Rg1和Rg2,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,2、静态工作点的确定,（1）近似估算法,vGS=,VDS=,已知VP，由,VDD,-ID(Rd+R),-iDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,Q点：,VGS、,ID、,VDS,自偏压电路,VDS=VDD-ID(Rd+R),可解出Q点的VG
20、S、ID、VDS,计算Q点：,已知VP、IDSS，由,直流通路,分压式自偏压电路,例（4.4.1）：Rg1=2M，Rg2=47k,Rd=30k,R=2k,VDD=18V,FET的VP=-1V,IDSS=0.5mA,试确定Q点。,解：,解之：,因iD不应大于IDSS，所以：,（2）图解法确定静态工作点Q（以自偏压电路为例）,1）由输出回路：VDD=VDS+ID(RD+RS)在输出特性（ID=f(VDS)|VGS）上作出直流负载线；,在转移特性上作源极负载线。,VDD,3）由输入回路：VGS=VGVS=IDRS,2）作负载转移特性；,交点对应Q点（VDS、VGS、ID）；,（1）根据VDD=VDS
21、+ID（RD+RS）在输出特性上作直流负载线；（2）作负载转移特性；（3）作源极负载线；（4）决定静态工作点；（5）在转移特性和输出特性上求出Q。,VDD,步骤：,三、FET放大电路的小信号模型分析法,1、FET的小信号模型,跨导：反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。,漏极输出电阻：（很大，常可以看作开路）；它是输出特性工作点处的切线斜率的倒数。,三、FET放大电路的小信号模型分析法,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而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。,其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。rgs=gmvgs是压
22、控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。gm称为低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。rd=,低频模型,高频模型,2、应用小信号模型法分析FET放大电路,1）共源放大电路（共源放大器）,对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。,(a)采用结型场效应管,(b)采用绝缘栅场效应管,共源组态接法基本放大电路,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。,分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。,（2）求电压放
23、大倍数,（3）求输入电阻,（4）求输出电阻,忽略 rd,由输入输出回路得,则,则,由于rgs=,Rd一般在几千欧到几十千欧，输出电阻较高。,Rg3为栅极电阻，用以构成栅源极间的直流通路，Rg3不能太小，否则影响放大电路的输入电阻，其阻值约为200K10M欧,反相电压放大电路,中频电压增益,输入电阻,得,分析：,画交流小信号等效电路。,由,2）共漏放大电路（源极输出器）,电压跟随器,输出电阻,所以,直流电源除源，输出端接检测电压源,共漏电路的输出电阻Ro等于源极电阻R和跨导的倒数1/gm相并联，所以输出电阻较小。,3)共栅放大电路（选讲）,小信号模型,动态分析,1、电压放大倍数,vo=Id=gmvgs,vi=vgs,Au=vo/vi=gm,2、输入电阻,vi=I总R=(Ii+gmvgs)R=(Iigmvi)R,得,3、输出电阻 Ro=Rd,场效应管放大电路小结,场效应管放大器输入电阻很大。,(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数绝对值大于1；输出电阻=RD。,(3)场效应管共漏极放大电路（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。,解：（1）由电路图可知,联立上列两式：,解之得：,并由此得：,（2）电压放大倍数为：,输入电阻：,输出电阻：,K,M,第四章 结束,
