模电第四章-场效应晶体管及其放大电路

1,第四章,场效应晶体管及其放大电路,4.1 单极型晶体管 4.2 场效应管基本放大电路 4.3 应用电路介绍,场效应管属于另一种半导体器件，尤为突出的是：场效应管具有高达1071015的输入电阻，几乎不取用信号源提供的电流，因而具有功耗小、噪声小、体积小、抗幅射、热稳定性好、制造工艺简单且易于集成化等优点。 根据结构的不同，场效应管可分为结型和绝缘栅型两大类，它们都只有一种载流子(多数载流子)参与导电，故又称为单极型三极管。其中绝缘栅型应用更为广泛。,简介,P126,4.1 单极型晶体管 （FET）,绝缘栅型场效应管的结构是金属氧化物半导体，简称为MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种，每一种又可分为增强型与耗尽型两种型式。本节将以N沟道为例，说明绝缘栅型场效应管的结构和工作原理。,4.1.1 场效应管的结构和外部特性,1. N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构,图4-1,（1）工作原理,1) 导电沟道的形成,当 足够大时，由于静电场作用，管子的漏极和源极之间将产生一个导电通道(称为沟道)，极间等效电阻较小。,越大，导电沟道宽度越宽，等效电阻越小。,产生导电沟道所需的最小栅源电压我们称为开启电压 。改变栅源电压，就可以改变导电沟道的宽度。,上述这种在时没有导电沟道，因而必须在时才形成导电沟道的场效应管称为增强型场效应管。,图4-2,2）漏源间电压好栅源电压 对漏极电流 的影响,当 时，若在漏-源之间加上正向电压时，则将产生一定的漏极电流。此时， 的变化会对导电沟道产生影响。 即当 较小时， 的增大使 线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄，如图4-3 a)所示。 一旦 增大到使 时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如果 继续增大，夹断区随之延长，如图(b)所示。,图4-3,2）漏源间电压好栅源电压 对漏极电流 的影响,而且 的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。,此时， 几乎不因 的增大而变化，管子进入恒流区， 几乎仅决定于 。,在 时，对应于每一个 就有一个确定的 。此时，可将 视为电压 控制的电流源。,工作原理,（2）特性曲线与电流方程,转移特性曲线是描述当 保持不变时，输入电压 对输出电流 的控制关系，所以称为转移特性，如图4-4 a)所示。,1) 转移特性曲线,图4-4 a),当 时， ；当 时，通电沟道开始形成，随着 的增大，沟道加宽， 也增大。,与 的关系，可用下式近似表示,其中 是 时的 值。,2) 输出特性曲线,图是N沟道增强型MOS管的输出特性曲线，输出特性曲线可分为下列几个区域。, 可变电阻区,很小时，可不考虑 对沟道的影响。于是 一定时，沟道电阻也一定，故 与 之间基本上是线性关系。,越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电阻由 决定，故称为可变电阻区。,图4-4 b),2) 输出特性曲线, 恒流区, 截止区,图中所示曲线近似水平的部分即是恒流区，它表示当 时， 与漏极电流 间的关系。,该区的特点是 几乎不随 的变化而变化， 已趋于饱和，具有恒流性质。所以这个区域又称饱和区。,当 增大一定值以后，漏源之间会发生击穿，漏极电流 急剧增大。,时以下的区域。（夹断区）,图4-4 b),2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构,上述的增强型绝缘栅场效应管只有当 时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始导电沟道，这种绝缘栅场效应管称为耗尽型。,与增强型相比，它的结构变化了，使其控制特性有明显变化。,在 为常数的条件下，当 时，漏、源极间已经导通， 流过的是原始导电沟道的漏极电流 。,当 时，即加反向电压时，导电沟道变窄， 减小；负值愈高、沟道愈窄， 也就愈小。,当 达到一定负值时，导电沟道被夹断， ，这时的 称为夹断电压，用表示 。,图4-5,可见，耗尽型绝缘栅场效应管不论栅源电压是 正是负或零，都能控制漏极电流 ，这个特点使它的应用具有较大的灵活性。,一般情况下，这类管子还是工作在负栅源电压的状态。,实验表明，在 范围内，耗尽型场效应管的转移特性可近似用下式表示,图4-6,P126,3. 结型场效应管,结型场效应管的特性和耗尽型绝缘栅场效应管类似。图 a)、 b)分别为沟道和沟道的结型场效应管图形符号。,使用结型场效应管时，应使栅极与源极间加反偏电压，漏极与源极间加正向电压。对于沟道的管子来说，栅源电压应为负值，漏源电压为正值。,在漏源电压 作用下，形成了漏极电流 。栅源电压 增大时，导通沟道变窄，从而在一定的 作用下 变小。所以，改变 也可实现对 的控制。,当 增大到一定值时，导通沟道被夹断，此时 。夹断时的栅源电压用 表示。,图4-7,图4-8为N沟道结型场效应管转移特性曲线。当 时，沟道被夹断， ； 减小， 增大； 时的漏极电流为零偏漏极电流 。对于P沟道管子来说， 为正值。,图4-8,图4-9为N沟道结型场效应管输出特性曲线。管子的工作状态也划分三个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区。,工作于恒流区中时，结型场效应管的转移特性也可用下式表示：,结型场效应管正常使用时，g、s间是反偏的，故输入电阻也较高。,4.1.2 场效应管的主要参数、特点以及使用注意事项,1. 场效应管的主要参数,（1）性能参数, 开启电压 ：,它是增强型MOS管的参数。, 夹断电压 ：, 饱和漏极电流 ：,它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。,当 为一常量时，栅源电压为零时的漏极电流。, 直流输入电阻 ：,等于栅-源电压与栅极电流之比。,结型管的 大于 ，而MOS管的 大于 。, 低频跨导 ：,该数值的大小表示 对 控制作用的强弱。,是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，与切点的位置密切相关。, 极间电容：,场效应管的三个极之间均存在极间电容。,越大场效应管放大能力越好。,通常，栅-源电容 和栅-漏 电容约为13pF，而漏-源电容 约为0.11pF。,（2）极限参数, 最大漏极电流 ：,是管子正常工作时漏极电流的上限值。, 漏源击穿电压 ：,管子进入恒流区后，使 骤然增大的 。, 栅源击穿电压 ：,对于结型场效应管，栅极与沟道间PN结反向击穿电压；对于绝缘栅型场效应管，使绝缘层击穿时的电压。, 最大耗散功率 ：,PD=UDS·ID，该数值决定于管子允许的温升。,2. 使用MOS管的注意事项,1）MOS管栅源之间的电阻很高，使得栅极的感应电荷不易泄放，因极间电容很小，故会造成电压过高使绝缘栅击穿。,保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空。,焊接时，电烙铁的外壳应良好的接地，或烧热电烙铁后切断电源再焊。,测试MOS场效应管时，应先接好线路再去除电极之间的短接，测试结束后应先短接各电极。,2）有些场效应管将衬底引出，故有4个管脚，这种管子漏极与源极可互换使用。但有些场效应管在内部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电极，这种管子的漏极与源极不能互换。,4.1.3 场效应管与晶体管的比较,（1）场效应管用栅-源电压控制漏极电流，栅极基本不取电流。而晶体管工作时基极总要索取一定的电流。因此，要求输入电阻高的电路应选用场效应管；而若信号源可以提供一定的电流，则可选用晶体管。 （2）场效应管几乎只有多子参与导电。晶体管内既有多子又有少子参与导电，而少子数目受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。 （3）场效应管噪声系数很小，所以低噪声放大器的输入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特制的低噪声晶体管。,（4）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要时才互换。 （5）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅-源电压可正、可负、可零，均能控制漏极电流；因而在组成电路时比晶体管有更大的灵活性。 （6）场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，它们构成了品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成工艺更简单，且具有耗电省、工作电源电压范围宽等优点，因此更加广泛地应用于大规模和超大规模集成电路之中。,4.1.3 场效应管与晶体管的比较（续）,模拟电子技术基础习题,4.2 场效应管基本放大电路,三种基本放大电路：共源极、共漏极和共栅极电路。 必须设置合适的静态工作点，以保证在信号的整个 周期内，场效应管均工作于放大区。,4.2.1 场效应管放大电路的静态工作点设置,场效应管是电压控制器件，因此它没有偏流，关键是要有合适的栅偏压。,常用的偏置电路有两种,1. 自给偏压,当耗尽型管的栅源回路接通时，在漏极电源作用下，就有电流通过，并在源极电阻上产生静态负栅偏压，通常称为自偏压，其值为,适当调整源极电阻 ，可以得到合适的静态工作点，通过下列关系式可求得工作点上的有关电流和电压：,此电路不适用于增强MOS 管， 因为静态时该电路不能使管子开启， 即 。,图4-9,2. 分压式偏置电路,适当选择 或 值，就可获得正、负及零三种偏压。图中 阻值很大，用以隔离 、 对信号的分流作用，以保持高的输入电阻。,静态分析也可以采用公式估算法，并在实际应用时，用RP来微调可联立求解：,图4-10,4.2.2 场效应管的交流等效模型,场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小的条件下，也可将用小信号模型等效。与建立晶体管小信号模型相似，将场效应管也看成一个两端口网络，以结型场效应管为例，栅极与源极之间为输入端口，漏极与源极之间为输出端口。无论是哪种类型的场效应管，均可以认为栅极电流为零，输入端视为开路，栅-源极间只有电压存在。在输出端口，漏极电流 是 和 的函数。,图4-11,4.2.3 共源放大电路的动态分析,应用微变等效电路法来分析计算场效应管放大的电压放大倍数和输入电阻、输出电阻，其步骤与分析三极管放大电路相同。,图为共源极放大电路和微变等效电路。,图4-12,1. 求电压放大倍数,2. 求输入电阻,通常，为了减小 、 对输入信号的分流作用，常选择 ，,3. 求输出电阻,4.2.4 共漏放大电路的动态分析,图是由耗尽型NMOS管构成的共漏极放大电路，由交流通路可见，漏极是输入、输出信号的公共端。由于信号是从源极输出，故也称源极输出器。,图4-13,1. 求电压放大倍数,2. 求输入电阻,当 时， 。,3. 求输出电阻,用“加压求流法”求源极输出器的输出电阻 的电路如下图,由于栅极电流 ，故 ，所以,则,图4-14,例4-2,在所示电路中，已知静态工作点合适， ， ， ， ， ， 场效应管的开启电压 ， 。,试求解 、 、 。,解：,4.3 绝缘栅双极型晶体管(IGBT),图4-15 IGBT的符号,图4-16 IGBT的等效电路,IGBT与MOSFET的对比 MOSFET全称功率