西安交大模电幻灯片第3章场效应管及其放大电路

1、3 场效应晶体管及其放大电路,三极管的主要特点：,1. 电流控制型器件。,2. 输入电流大，输入电阻小。,3. 两种极型的载流子都参与导电，又称为双极型晶体管，简称BJT（Bipolar Junction Transistor)。,场效应管，简称FET(Field Effect Transistor )，其主要特点：,(a) 输入电阻高，可达107 1015W。,(b) 起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。,(c) 体积小、重量轻、耗电省、寿命长。,(d) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。,(e) 在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。,1. 结型场效应管，简称JFET (Junction Field Effect Transistor),场效应管按结构可分为：,场效应管的类型：,2. 绝缘栅型场效应管，简称IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor),3.1 结型场效应管,3.1.1 结型场效应管的结构和类型,N沟道JFET结构示意图,P+,P+,形成SiO2保护层,以N型半导体作衬底,漏极D（drin

2、e),源极S（source),栅极G（gate),N型导电沟道,符号,称为N沟道JFET,符号,P沟道JFET结构示意图,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,3.1.2 结型场效应管的工作原理,电路图,1uDS=0时，uGS对沟道的控制作用,a当uGS=0时,沟道无变化,bUGS(off)uGS0,P+,+,(a) PN结加宽,(b) PN结主要向N区扩展,(c) 导电沟道变窄,(c) 导电沟道电阻增大,P+,P+,(a) PN结合拢,(b) 导电沟道夹断,c 0 uGS=UGS(off),+,当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示,2当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用,a0uDS|UGS(off)|,(b) 沿沟道有电位梯度,(c)沿沟道PN结反偏电压不同,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)沟道PN结呈楔形,P+,buDS=|UGS(off)|,(a) iD达到最大值,(b) 沟道点夹断(预夹断),cuDS|UGS(off)|,(a) iD达到最大值 几乎不随uDS的增大而变化,(b) 沟道夹断区延长,当uGS =0时，uDS对沟道的控制

3、作用动画演示,3当uDS 0时，uGS(0）对沟道的控制作用,a. uDS和uGS将一起改变沟道的宽度,c.当uDG= | UGS(off) | 时，沟道出现予夹断。此时，uDS=|UGS(off)| + uGS,b.PN结在漏极端的反偏电压最大。 uDG= uDS-uGS,uDS 、uGS共同对沟道的控制作用动画演示,（1）JFET是利用uGS 所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，,（2）场效应管为一个电压控制型的器件。,（3） 在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。,小结：,在P沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为正值。,即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称为场效应管。,3.1.3 结型场效应管的伏安特性,在正常情况下，iG =0，管子无输入特性。,1输出特性（漏极特性）,特性曲线,可 变 电 阻 区,放大区,截止区,可 变 电 阻 区,(1) 可变电阻区,a. uDS较小，沟道尚未夹断,b. uDS |UGS(off)| + uGS,c. 管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点：,放大区,(2) 放大区,放大区也称为饱和区、恒流区。,b.

4、 uDS |UGS(off)| + uGS,a. 沟道予夹断,c. iD几乎与uDS无关。,d. iD只受uGS的控制。,截止区,a. uGSUGS(off),(3) 截止区,b.沟道完全夹断,c. iD0,2转移特性,表示场效应管的uGS对iD的控制特性。,定义,转移特性曲线可由输出特性曲线得到,（1）对于不同的uDS，所对应的转移特性曲线不同。,曲线特点：,（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。,当管子工作于恒流区时,称为零偏漏极电流,3.1.4 结型场效应管的主要电参数,1直流参数,(3) 直流输入电阻RGS,(1) 夹断电压UGS(off),(2) 零偏漏极电流IDSS （也称为漏极饱和电流）,2交流参数,(1) 跨导gm 也称为互导。其定义为：,当管子工作在放大区时,得管子的跨导,由,可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。,3. 极限参数,(1) 漏极最大允许耗散功率 PDSM,(2) 最大漏极电流IDSM,栅源电容Cgs,栅漏电容Cgd,漏源电容Cds,(3) 栅源击穿电压U（BR）GS,(4) 漏源击穿电压U（BR）DS,例 在图示电路中，已知场效

5、应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？,（b）,（c）,（a）,解（a）因为uGSUGS(off) , 管子工作在截止区。,（b）因,管子工作在放大区。,（c）因这时的,管子工作在可变电阻区。,3.2 绝缘栅型场效应管,N沟道,IGFET,耗尽型,增强型,P沟道,N沟道,P沟道,绝缘栅型场效应管的类别,3.2.1 增强型绝缘栅场效应管,1. 结构示意图,N+,S,G,D,N+,以P型半导体作衬底,SiO2保护层,引出栅极,Al,从衬底引出电极,两边扩散两个高浓度的N区,故又称为MOS管,管子组成：,a. 金属 （Metal),b. 氧化物 (Oxide),c.半导体(Semiconductor),2. 工作原理,电路连接图,(1) uGS =0 ,uDS0,源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，iD=0,2uGS 0 ,uDS =0,产生垂直向下的电场,电场排斥空穴,形成耗尽层,吸引电子,形成导电沟道,当uGS =UGS(th)时,出现反型层,UGS(th)开启电压,N沟道增强型MOS管，简称NMOS,N沟道,3当uGS UGS(th） ,uDS0时.,uDS,(b) 沿沟

6、道有电位梯度,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(b) 沿沟道有电位梯度,3当uGS UGS(th） ,uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)沟道反型层呈楔形,(b) 沿沟道有电位梯度,3当uGS UGS(th） ,uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大，iD增大。,a. uDS升高,沟道变窄,uDS,反型层变窄,b. 当uGD =uGS-uDS=UGS(th）时,uDS,沟道在漏极端夹断,(b) 管子预夹断,(a) iD达到最大值,c. 当uDS进一步增大,(a) iD达到最大值且恒定,uDS,uDS,沟道夹断区延长,(b) 管子进入恒流区,增强型NMOS管工作原理动画演示,2伏安特性与参数,a输出特性,可 变 电 阻 区,放大区,截止区,输出特性曲线,(1) 可变电阻区,a. uDS较小，沟道尚未夹断,b. uDS uGS- |UGS(th)|,c.管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点：,可 变 电 阻 区,2,4,0,6,10,

7、20,(2) 放大区(饱和区、恒流区),a. 沟道予夹断,c. iD几乎与uDS无关,d. iD只受uGS的控制,b. uDS uGS- |UGS(th)|,截止区,a. uGSUGS(th),(3) 截止区,b.沟道完全夹断,c. iD=0,管子工作于放大区时函数表达式,b转移特性曲线,式中，K为与管子有关的参数,例 图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。,解 由图可知，该管的,UGS（th）= 2 V,当UGS = 8 V 时，ID = 2 mA,故,3.2.2 耗尽型MOS管,1. MOS管结构示意图,绝缘层中渗入了正离子,出现反型层,形成导电沟道,导电沟道增宽,a.,导电沟道变窄,b.,耗尽型MOS管可以在uGS为正或负下工作。,2伏安特性与参数,a输出特性曲线,b转移特性曲线,函数表达式,工作于放大区时,增强型与耗尽型管子的区别：,耗尽型：,增强型：,当 时，,当 时，,MOSFET符号,增强型,耗尽型,JFET符号,场效应管的特点（与双极型三极管比较）,（1）场效应管是一种电压控制器件，即通过uGS来控制iD；,双极型三极管是一种电流控制器件，即通过i

8、B来控制iC,（2）场效应管的输入端电流几乎为零，输入电阻非常高。,双极型三极管的发射结始终处于正向偏置，有一定的输入电流，基极与发射极间的输入电阻较小。,（4）场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好，且存在零温度系数工作点。,（3）场效应管是利用多数（一种极性）载流子导电的。,在双极型三极管中二种极性的载流子（电子和空穴）同时参与了导电。,（5）场效应管的结构对称，有时（除了源极和衬底在制造时已连在一起的MOS管）漏极和源极可以互换使用，且各项指标基本不受影响，使用方便、灵活。,（6）场效应管制造工艺简单，有利于大规模集成。,每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管5%。,（7）场效应管的跨导小，当组成放大电路时，在相同的负载电阻下，电压放大倍数比双极性三极管低。,（8） 由于MOS管的输入电阻高，由外界感应产生的电荷不易泄露，而栅极上的绝缘层又很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层的击穿而损坏管子。,2. 绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路？,思 考 题,1. 试比较三极管和场效应管的异同点。,3.3 场效应管放大电路,3.3.1 场效应管的偏置

9、及其电路的静态分析,1自给偏压,IDQ,USQ= IDQ RS,UGSQ= -IDQ RS,(1) 电路,(2)自给偏压原理,(3) 静态分析,a. 方法一：图解法,(a) 列写输出回路方程,(c) 作图,(b) 列写输入回路方程,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,IDQ,M,N,Qo,UDSQ,Qi,UGSQ,作输出回路直流负载线,作控制特性,作输入回路直流负载线,b. 方法二：估算法,输入回路方程,当管子工作于放大区时,两式联立可求得IDQ,由此可得,例 在图示电路其中，VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M，FET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。试求UGSQ 、IDQ和UDSQ 。,UGSQ =2.9V,解,由,2分压式偏置,图中,(1) 电路,(2) 静态分析,故,分压式偏置: 增强型、耗尽型,两种偏置电路适用的FET：,自给偏压：耗尽型,3信号的输入和输出,常用的耦合方式,一种典型的阻容耦合共源极放大电路,3.3.2 场效应管的微变等效电路,由场效应管工作原理知：,iD= f (uGS 、uDS),iG= 0,对iD全微分,rds为FET共源极输出电阻,故,或者,3.3.3 场效应管组成的三种基本放大电路,1共源极放大电路,微变等效电路,由图可知,式中,a. 求电压放大倍数,由图可知,b. 求输入电阻Ri,根据输出电阻的定义：,由图可知,画出求输出电阻的等效电路,c. 求输出电阻Ro,2. 共漏极放大电路,微变等效电路,由图可知,式中,a. 求电压放大倍数,输入电阻,b. 求输入电阻Ri,c. 求输出电阻Ro,由图可知,故电路的输出电阻,3. 共栅极放大电路,微变等效电路,a. 求电压放大倍数,故,由于,b. 求输入电阻Ri,故

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