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1、第3章 场效应管放大电路,Sect,3.1、结型场效应管,3.2、绝缘栅场效应管MOS,3.3 场效应管的主要参数,3.4 场效应管放大电路,场效应管FET与三极管BJT的区别,Sect,1.BJT:是 电流控制元件；FET:是电压控制元件。2.BJT 参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；FET 是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，称为单级型器件。3.BJT 输入电阻较低，一般102104；FET 输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管MOSFET,双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度
2、系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,N,基底：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,一、结构,导电沟道,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,二、工作原理（以P沟道为例）,UDS=0V时,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,ID,UDS=0V时,UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0时,UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断
3、，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。,ID,UGS0、UGDVP时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,UGSVp且UDS较大时UGDVP时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,ID,UGSVp UGD=VP时,漏端的沟道被夹断，称为予夹断。,UDS增大则被夹断区向下延伸。,ID,UGSVp UGD=VP时,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,三、特性曲线,饱和漏极电流,夹断电压,转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线,ID,U DS,恒流区,输出特性曲线,0,N沟道结型场效应管的特性曲线,转移特性
4、曲线,输出特性曲线,N沟道结型场效应管的特性曲线,3.1、结型场效应管,Sect,、结构与工作原理,漏极 D 集电极 C栅极 G 基极 B源极 S 发射极 E,导通条件：UGS 0 UBE 0 UDS 0 UBC 0,1)在一定UDS作用下,栅源极电压 为负,栅源极勾道通,UGS决定 电流 iD 的大小2)沟道中只有一种截流子 单极型晶体管,1、结构,2.JFET工作原理,N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，当
5、UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时 所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。,预夹断,UGS=UP夹断状态ID=0,Sect,导电沟道,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,Sect,结型场效应管的缺点：,1.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。,场效应管及其放大电路,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的
6、大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。,结型场效应管,按结构不同场效应管有两种:,绝缘栅型场效应管,本节仅介绍绝缘栅型场效应管,按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分,绝缘栅场效应管,漏极D,栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,(1)N沟道增强型管的结构,栅极G,源极S,1.增强型绝缘栅场效应管,符号：,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014。,由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,(2)N沟道增强型管的工作原理,由结构图
7、可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。,当栅源电压UGS=0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。,当UGS 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；,N型导电沟道,在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。,当UGS UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。,(2)N沟道增强型管的工作原理,N型导电沟道,当UGS UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的电压UD
8、S，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。,在一定的漏源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。,(2)N沟道增强型管的工作原理,N沟道增强型MOSFET的工作原理,(1)栅源电压UGS的控制作用,先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。,UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。,同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。,沟道中的电子和P
9、型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS，就会有漏极电流ID产生。,反型层,当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS，也不能形成ID。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。,(2).漏源电压UDS的控制作用,设UGSUGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。,显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后，UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。,当UDS进一步增加时，ID会不断增加,
10、同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。,预夹断,当UDS进一步增加时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夹断区。,2.N沟道增强型MOS特性曲线,UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制 关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C,1).转移特性曲线,UT,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因
11、子,Sect,(3)特性曲线,有导电沟道,转移特性曲线,无导电沟道,开启电压UGS(th）,UDS,UGS/,漏极特性曲线,恒流区,可变电阻区,截止区,2).输出特性曲线,2.恒流区：UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,Sect,UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,1.可变电阻区：近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS可变电阻区:当UGS变化时，RON将随之变化恒阻区:当UGS一定时，RON近似为一常数,符号：,结构,(4)P沟道增强型,SiO2绝
12、缘层,加电压才形成 P型导电沟道,增强型场效应管只有当UGS UGS(th）时才形成导电沟道。,2.耗尽型绝缘栅场效应管,符号：,如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。,(1)N沟道耗尽型管,SiO2绝缘层中掺有正离子,予埋了N型 导电沟道,2.耗尽型绝缘栅场效应管,由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，若漏源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流 ID 产生。,当UGS 0时，使导电沟道变宽，ID 增大；当UGS 0时，使导电沟道变窄，ID 减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。,当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于
13、夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。,这时的漏极电流用 IDSS表示，称为饱和漏极电流。,(2)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,夹断电压,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。,UGS(off),IDSS,2.耗尽型绝缘栅场效应管,(3)P 沟道耗尽型管,予埋了P型 导电沟道,SiO2绝缘层中掺有负离子,耗尽型,G、S之间加一定电压才形成导电沟道,在制造时就具有原始导电沟道,3.2.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,Sect,1.工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此
14、时的漏极电流称为漏极饱和电流 IDSS当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压 UP,退出,2.特性曲线,转移特性曲线,Sect,输出特性曲线,ID(mA),N沟道耗尽型MOS管可工作在 UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在 UGS0,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,Sect,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,Sect,各类场效应三极管的特性曲线,3.3 场效应管的主要参数,Sect,1.开启电压UT MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启
15、电压的绝对值,场效应管不能导通。2.夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 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栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应管RGS约是10910155.漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压7.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,3.场效应管的主要参数,(1)开启电压 UGS(th
16、)：是增强型MOS管的参数(2)夹断电压 UGS(off)：(3)饱和漏电流 IDSS：,(4)低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流 的控制能力,极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。,场效应管与晶体管的比较,类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道,放大参数,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,输出特性曲线,UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夹断电压UP=-2V,耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,跨导gm,=ID/UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,场效应管放大电路,1 电路的组成原则及分析方法,(1).静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流
17、区,(2).动态:能为交流信号提供通路,组成原则,分析方法,N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 符号及特性曲线,跨导gm=ID/UGS,id=gmugs,2 场效应管的微变等效电路,场效应管的微变等效电路,压控电流源,场效应管放大电路,场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。,场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。,场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。,场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。,1.自给偏压式偏置电路,场效应
18、管放大电路,栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。,UGS=RSIS=RSID,T为N沟道耗尽型场效应管,增强型MOS管因UGS=0时，ID 0，故不能采用自给偏压式电路。,静态分析可以用估算法或图解法(略),估算法：,UGS=RSID,将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;,由 UDS=UDD ID(RD+RS)解出UDS,列出静态时的关系式,对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。,例：已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。,解：用估算法,UGS=1
19、ID,UDS=20 2（3+1）=12 V,列出关系式,解出 UGS1=2V、UGS2=8V、ID1=2mA、ID2=8mA,因UGS2 UGS(off)故舍去，所求静态解为UGS=2V ID=2mA、,2.分压式偏置电路,(1)静态分析,估算法：,将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;,由 UDS=UDD ID(RD+RS)解出UDS,列出静态时的关系式,流过 RG 的电流为零,(2)动态分析,电压放大倍数,交流通路,输入电阻,输出电阻,RG是为了提高输入电阻ri而设置的。,3.源极输出器,交流通路,电压放大倍数,特点与晶体管的射极输出器一样,当场效应管工作在可变电
20、阻区时，漏源电阻：,场效应管可看作由栅源电压控制的可变电阻。,|UGS|愈大，RDS愈大。,N沟道结型场效应管的转移特性,3 静态分析,无输入信号时（ui=0），估算：UDS和 ID。,R1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V,设：UGUGS,则：UGUS,而：IG=0,+UDD+20V,直流通道,4 动态分析,微变等效电路,动态分析：,电压放大倍数,负号表示输出输入反相,电压放大倍数估算,R1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRD=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V,=-3（10/10）=-15,ro=RD
21、=10K,输入电阻、输出电阻,=1+0.15/0.05=1.0375M,R1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V,ri=RG+R1/R2,5 源极输出器,R1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V,静态工作点:,=,USUG,UDS=UDD-US=20-5=15V,微变等效电路：,微变等效电路：,求ri,ri=RG+R1/R2,求ro,加压求流法,ri=RG+R1/R2,R1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V,=3(10/10)/1+3(10/10)=0.94,=10/(1+3 10)=0.323 k,代入数值计算,=1+0.15/0.05=1.0375 M,场效应管放大电路小结,(1)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。,
