第四章场效应管放大电路p资料讲解.ppt

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沟道器件场效应管：结型N沟道P沟道 MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型 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JFET2、工作原理（以N沟道为例） N 沟道PN结 N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，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iDiD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NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo三极管： 发射结正向偏置， 集电结反向偏置（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VPVGS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、JFET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- VDSIDSS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b. 管压降vDS 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vGS |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）0vGS(v)-4 -3 -2 -1(mA)54321VPIDSSN型JFET的转移曲线iD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VGS2）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IDSS3) 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结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型第二节 金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET( Metal Oxide 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,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为栅极g。

PN+N+gsdP型基底两个N+区SiO2绝缘层导电沟道（感生沟道）金属铝gsdN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沟道增强型：箭头向里，衬底断开N 沟道耗尽型PN+N+gsd预埋了导电沟道（绝缘层掺大量的正离子） gsd2、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JFETN型沟道增强型MOSFET2、工作原理（以N 沟道增强型为例）PN+N+gsdVDSVGSVGS=0时漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离ID=0对应截止区绝缘栅极（栅极与 源极、漏极均无电接触）PN+N+gsdVDSVGSVGS0时VGS足够大时（VGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道（感生沟道）感应出电子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PN+N+gsdVDSVGS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IDVDSID+ +- -+-+- - -VGS反型层(感生沟道) 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VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管PN+N+gsdVDSVGS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PN+N+gsdVDSVGS夹断后，VDS 继续增加，将形成一夹断区，ID趋于饱和，呈恒流特性IDVDS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=0NMOS的输出特性曲线2.0V4.0V6.0VVGS=8.0VA ID恒流区0击穿区VDS=5VVGSVID A0 2 4 6 82001501005020015010050NMOS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管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型各种类型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)GS2、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JFETP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JFETP沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET习题：P190 4.1.3 4.3.1 4.3.4JFET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。