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1、1,第四章 场效应管放大电路,BJT的缺点：输入电阻较低,温度特性差。场效应管(FET)：利用电场效应控制其电流的半导体器件。优点：输入电阻非常高(高达1071015欧姆)，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。,根据结构不同分为：结型场效应管(JFET);绝缘栅型场效应管(MOSFET)根据沟道性质分为：N沟道;P沟道根据偏压为零时沟道能否导电分为：耗尽型，增强型,场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。,2,4.1 结型场效应管,4.1.1 JFET的结构和工作原理 1.结构:,高搀杂的P型区.,N沟道JEFT的示意图,N型导电沟道,对
2、于N沟道JEFT工作于放大状态，vGS0,g栅极，s源极，d漏极,3,高搀杂的N型区.,P型导电沟道,P沟道JEFT的示意图,对于P沟道JEFT工作于放大状态，vGS 0.vDS 0,4,2.工作原理,(1)vGS对iD的控制作用,vGS=0,VpvGS0,vGSVP,耗尽层两侧刚刚合拢，沟道全部夹断时的vGS称为夹断电压VP,先设：vDS=0,5,vGS 对沟道的影响：,改变 vGS 的大小，可以有效的控制耗尽层的宽度，从而改变沟道电阻的大小。若在漏源极间加上固定的正向电压，则漏极流向源极的电流 iD 将受 vGS 的控制。对N沟道，vGS 减小，沟道电阻增大，iD 减小。,vDS=0时，耗
3、尽层均匀,6,(2)VDS 对 iD 的影响 设：vGSVP且不变,vDS=0，耗尽层均匀,vGSVp vGDVp：沟道呈电阻性，iD随vDS升高几乎成正比例的增加。,vDS不为0时，耗尽层变成锲型。vDS增加，锲型的斜率加大。,7,vGD=vGS-vDSvDS，vGD当 vGD=VP时，靠近D端两边的耗尽层相接触预夹断。iD达到了最大值 IDSS。此时：vDS=vGS-VP,vDS再加大，vGD vGS-VP)耗尽层两边相接触的长度增加，iD基本上不随vDS的增加而上升，漏极电流趋于饱和饱和区，恒流区。,预夹断,夹断长度增加,8,4-1-2 N沟道，JFET的特性曲线,输出特性 iD=f(v
4、DS)|vGS=常数,在该区FET 可以看成一个压控电阻。,特点:vGS越负，耗尽层越宽，漏源间的电阻越大，输出曲线越倾斜。iD与 vDS 几乎成线性关系。,1区:可变电阻区 0vGSVP,0vGDVp,9,2区：饱和区（恒流区，线性放大区）0 vGS Vp,vGDVp,特点:iD 随 vGS下降而减少,iD受 vGS 的控制。vDS 增加时，iD基本保持不变，成恒流特性。,在该区域，场效应管等效成一个受vGS控制的恒流源。,场效应管作放大器时工作在该区域。,10,4区：击穿区 vDS太大，致使栅漏PN结雪崩击穿，FET处于击穿状态.。场效应管一般不能工作在该区域内。,3区：截止区vGSVP，
5、vGDVP iD=0场效应管截止,11,(2)转移特性曲线 iD=f(vGS)|vDS=常数,表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用，场效应管是电压控制器件。,在饱和区内，FET可看作压控电流源。转移特性方程：iD=IDSS(1-vGS/VP)2,12,（3）主要参数,夹断电压：VP当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电压 vGS 称为夹断电压。夹断电压与半导体的搀杂浓度有关。饱和漏电流：IDSS场效应管处于饱和区，且 vGS=0 时的漏极电流，对于结型场效应管，为最大工作电流。低频互导：gm gm=diD/dvGS|vDS=常数反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是转移特性曲线上，静态工
6、作点处的斜率。,13,输出电阻：rd输出电阻反映了vDS对 iD的影响，是输出特性上，静态工作点处切线斜率的倒数。在饱和区内，iD随vDS改变很小，因此 rd 数值很大。最大漏源电压：V(BR)DS最大耗散功率：PDM,14,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,4.3.1 N沟道增强型MOSFET金属栅极、SiO2绝缘层、半导体，构成平板电容器。MOSFET 利用栅源电压的大小，来改变衬底 b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,N沟道增强型MOS管示意图,N沟道增强型MOS管符号,MOS场效应管的类型：增强型：包括N沟道和P沟道耗尽型：包括N沟道和P沟道,P沟道增强型MOS管符号,
7、15,1、沟道形成原理 vDS=0时，vGS 的作用,在SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场，该电场排斥P区中的多子空穴，而将少子电子吸向衬底表面。vGS不够大时，吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区耗尽层，并与两个PN结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。无导电沟道 iD=0,vGS=0时，iD=0,0vGSVT时,16,vGS加大，将吸引更多的电子到衬底表面，形成自由电子的薄层反型层。(表层的导电类型由原来P型转化为N型)N型导电沟道形成。,vDS=0时反型层均匀,vGSVT,刚形成反型层所需的 vGS 的值开启电压VT。,vGSVT，沟道形成，vDS0时，将
8、形成电流iD。vGS，沟道加宽，沟道电阻，iD。,N沟道,当外加正 vDS 时，源区的多子(电子)将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流iD。,17,vGSVT且不变,vDS对沟道的影响,导电沟道形成后，在vDS的作用下，形成漏极电流iD，沿沟道ds，电位逐渐下降,sio2中电场沿沟道ds逐渐加大，导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，靠近漏极端最窄。,vGS VT,且 vGD VT(vDS vGS-VT)沟道畅通，场效应管等效为小电阻（可变电阻区）。,vDS使沟道不再均匀,18,vDS再，使 vGDvGS-VT)夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，电压的增加全部降在高阻区，iD基本不变恒流区。,vDS,v
9、GD,沟道斜率，靠近漏极端更窄。当vGD=VT 时(vDS=vGS-VT)靠近漏极端的反型层刚好消失预夹断。,预夹断,19,3、特性曲线,1区：可变电阻区:vGSVT vGDVT 沟道呈电阻性，iD随vDS的增大而线性增大。电阻值随vGS增加而减小。,2区：恒流区(线性放大区）vGSVT vGDVT iD=IDO(vGS/VT)-12IDO是vGS=2VT时，iD的值。iD 受 vGS 的控制。,4区：击穿区,3区截止区 vGSVTvGDVTiD=0,VT,20,CMOS电路,vi=VDDvGSP=0VTP T1截止vGSN=VDDVTN T2导通vo=0vi=0vGSP=-VDD VTP T
10、1导通vGSN=0VTN T2截止vo=VDD,T2：N沟道,T1：P沟道,非门电路,21,4.3.2 N沟道耗尽型MOSFET,结构与N沟道增强型相同，但在SiO2的绝缘层中掺有大量的正离子。当vGS=0时，也能在衬底表面感应出很多的电子，形成N型导电沟道。,在零栅源电压下也存在导电沟道的FET称耗尽型。耗尽型MOSFET在零、正和负栅源电压下都可工作。,N沟道耗尽型MOS管符号,P沟道耗尽型MOS管符号,vGS,沟道宽度，iD vGS,沟道宽度，iD,22,4.3.3 场效应管比较,N沟道：vDS0,iD为电子电流,iDS0（电流实际方向流入漏极）P沟道：vDS0,iD为空穴电流,iDS0
11、（电流实际方向流出漏极）,衬底的极性：必须保证PN结反偏。N沟道：P型衬底须接在电路中的最低电位上。P沟道：N型衬底须接在电路中的最高电位上。,增强型MOS管：vGS单极性，总与vDS一致（N沟道正，P沟道负）。vGS=0时 iDS=0。耗尽型MOS管：vGS可正可负。J型场效应管：vGS单极性，总与vDS相反（N沟道负,，P沟道正)。vGS=0时iDS 0（绝对值达最大）,转移特性：,N沟道,P沟道,23,4.4 场效应管放大电路,4.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析,1 零偏压电路,2 自偏压电路,VGS=-IDRS,VGS=0,直流偏置电路,适应于耗尽型MOS场效应管,适应于结型或
12、耗尽型MOS管,24,3 分压式自偏压电路,VGS可正可负,适应于任何一种类型.,静态工作点的确定 根据外部电路列出线性方程 列出场效应管的转移特性方程,增强型MOS管,J型、耗尽型MOS管,25,例,J型管iD不能大于IDSS1.59mA的结果舍去ID=0.31mA,26,4.4.2 FET的小信号模型分析法,FET的低频小信号简化模型,FET低频小信号模型,FET高频小信号模型.,27,应用小信号模型分析FET的放大电路,共源放大:,如果接有外负载RL,Rg=Rg1/Rg2,28,源极电阻上无并联电容:,共源电路的特点:电压增益大,输出电压和输入电压反相.输入电阻高,输出电阻由漏极电阻Rd决定.,Rg=Rg1/Rg2,29,共漏极放大器(源极跟随器),Rg=Rg1/Rg2，RL=R/RL,30,输出电阻,特点:电压增益小于1,但接近于1.且输入输出同相.输入电阻高,而输出电阻较低.,
