场效应管放大电路18222.ppt

第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 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沟道沟道器件和空穴作为载流子的P沟道沟道器件场效应管：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1§4.1 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister)绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管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，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD21. 结构和符号（以（以N沟道增强型为例）沟道增强型为例） 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D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain):漏极，相当漏极，相当c G(Gate):栅极，相当栅极，相当b S(Source):源极，相当源极，相当eB(Substrate):衬底衬底结构动画结构动画32. 工作原理（以N沟道增强型为例）(a) VGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。

VGS =0，， ID =0VGS必须大于必须大于0管子才能工作管子才能工作1）栅源电压）栅源电压VGS的控制作用的控制作用4（1）栅源电压VGS的控制作用 （b）当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th) （ VT 称为开启电压)时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子 但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID0＜＜VGS＜＜VT ，， ID=05（1）栅源电压VGS的控制作用(c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道如果此时VDS>0，就可以形成漏极电流ID在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加VGS >0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS  反型层变厚反型层变厚 VDS   ID  栅源电压栅源电压VGS的的控制作用动画控制作用动画6（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定为某一值，VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS－VDSVDS为0或较小时， VGD=VGS－VDS ＞VT，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

这时，ID随VDS增大VDS  ID  （（2 2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用7（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（b）当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断8（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDS  ID 不变不变（c）当VDS增加到VGDVT时，沟道如图所示此时预夹断区域加长，向S极延伸 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变漏源电压漏源电压VDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画9 ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线 iD vGS /VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线 vDS /V iD3. 特性曲线（以N沟道增强型为例）转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用 gm 的量纲为mA/V，称为跨导 gm=ID/VGS VDS=const 10输出特性曲线 vDS /V iD(1) (1) 截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS< VT以下区域就是截止区V VGSGS  V VT T I ID D=0=0(2) (2) 放大区（恒流区）放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域， V VGS GS -V-VDS DS    V VP P   V VDSDSI ID D不变不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3)(3)饱和区（可变电阻区）饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域V VGS GS -V-VDS DS    V VP P   V VDSDSI ID D 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻114.其它类型MOS管（1）N沟道耗尽型： N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。

所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在12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13各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P 沟道耗尽型145. 场效应管的主要参数(1)开启电压VT ：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的 最小 |VGS | 值增强）(2)夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值耗尽）(3)饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流耗尽）(4)极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF15场效应管的主要参数(5) 低频跨导 gm ：表示vGS对iD的控制作用在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS6) 最大漏极电流 IDM (8) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS (7) 最大漏极耗散功率 PDM 16场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。

其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格例如CS14A、CS45G等17几种常用的场效应三极管的主要参数见表几种常用的场效应三极管的主要参数见表18§4. 2 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister) 1. N沟道结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向N沟道结型场效应管的结构动画192. 工作原理ID（（1））VGS对导电沟道的影响：VP(VGS(OFF) )：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS>107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。

N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流N沟道结型场效应管工作原理：20工作原理(c) |VGS | =  VP  ，导电沟道被全夹断(b) 0< VGS <  VP  VGS  耗尽层变宽VGS控制导电沟道的宽窄，即控制控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小21工作原理（（2））VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，时(a) VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽VDS ID  ID22工作原理(b)| VGS- VDS | = | VP |时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断VGS=0时，产生夹断时时，产生夹断时的的ID称为漏极饱和电流称为漏极饱和电流IDSSID23工作原理(c) VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变IDJ型场效应管的工作原理动画243. 特性曲线VDS=10V时的转移特性曲线IDSS是在VGS = 0， VDS > |VP |时的漏极电流 当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。

实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，iD可近似表示为：25场效应管总结26双极型和场效应型三极管的比较274.3 场效应管应用场效应管应用例1：作反相器用Vp1|=|Vp2|=VT 0<|VT|VT ，截止 Tn:VGSn=Vdd>VT ，导通Vo= 0Vi= 0时：Tp:VGSp=-Vdd

只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了 图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的34直流分析（估算法）直流通路 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VG－VS= VG－IDR ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 VDS= VDD－ID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS35交流分析微变等效电路364.4.3 共漏极放大电路 直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VG－VS= VG－IDRID= IDSS[1－(VGS /VP)]2VDS= VDD－IDR由此可以解出VGS、ID和VDS与三极管共集电极电路对应直流通路：37交流分析38输出电阻394.4.4 共栅极放大电路Ro≈Rd40例题例题1 共源共源已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：静态分析：VGS=-RIDID= IDSS[1－(VGS /VP)]2代入参数得：3ID2-7ID+3=0IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V+vi -C10.01uQRg10MR2KRd15KRL18KC20.1uC310uVDD18V+vo -41例题例题1解解动态分析：Ri=Rg=10MΩRo=Rd=15KΩ42例题例题2 多级放大电路多级放大电路已知： VBE=0.6V, =120, gm=3mA/V, VP=-2V, IDSS=4mA+vi -Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-解：静态分析：VGS=-RsIDID= IDSS[1－(VGS /VP)]2代入参数得：4ID2-9ID+4=0ID=0.61mA ID=1.64mA（舍去）VGS=-1.22V VD≈VCC-IDRd=5.85V（忽略IB2）IE2= (VD－VBE2)/(Re1+Re2)=0.26mAVC2≈VCC-IE2RC2=11.88V（忽略IB3）IE3= (VC2－VBE3)/Re3=3.13mA VCE2≈VCC-IE3Re2=3.72Vrbe2=12.9krbe3=1.2k43例题例题2解解动态分析：Ri=Rg=10MRi2= rbe2+(1+  )Re1 =37.1kRi3= rbe3 +(1+  )Re3//RL =156k+vi -Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-44作业n4.4.4n4.4.5n4.5.445。