场效应晶体管及其电路分析

模拟电子技术电路讲课人：王欢第三章场效应晶体管及其电路分析1.3.1场效应管的结构、特性与参数场效应管用FET表示（FieldEffectTransistor）。具有输入电阻高、热稳定性好、工艺简单、易于集成等优点。绝缘栅型IGFET(或MOS)（InsultedGateType）增强型MOS（Enhancement）耗尽型MOS（Depletion）每一种又可分为N沟道和P沟道。结型JFET（JunctionType）本质上是耗尽型，分为N沟道和P沟道。场效应管分类：Metal-Oxide-Semiconductor一、绝缘栅场效应管（IGFET）NMOS增强型在P型衬底上加2个N+区，P型表面加SiO2绝缘层，在N+区加铝极。MOS管的栅极与其它电极绝缘，所以输入电阻近似为，iG≈0。s：Source源极d：Drain漏极g：Gate栅极B：Base衬底PMOS增强型箭头表示沟道的实际电流方向。PMOS与NMOS的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。增强型MOS管工作原理(以NMOS为例）①vGS=0,vDS较小：没有导电沟道(漏源间只是两个“背向”串联的PN结)，所以d-s间呈现高阻，iD≈0。②当vGS＞0，且当vGS增强到足够大：d-s之间便开始形成导电沟道。开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。vGS将在栅极与衬底这间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)使两个N+区连通，形成N型导电沟道。d、s间呈低阻，所以在vDS的作用下产生一定的漏极电流iD。vGS＞VT时，vGS对iD的控制作用。当vGS＝0时没有导电沟道，而当vGS增强到＞VT时才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且vGS越大，导电沟道越厚，等效电阻越小，iD越大。漏-源电压vDS产生横向电场：由于沟道电阻的存在，iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。近s端电压较高，为vGS；近d端电压较低，为vGD＝vGS-vDS，所以沟道呈楔形分布。③vGS＞VT且为定值时，vDS对iD的影响TGSDSTDSGSVvvVvv0当vDS较小时：vDS对导电沟道的影响不大，沟道主要受vGS控制，所以在为定值时，沟道电阻保持不变，iD随vDS增加而线性增加。TGSDSTDSGSVvvVvvTGSDSTDSGSVvvVvv当vDS增加到vGS-vDS＝VT时（即vDS＝vGS-VT）：漏端沟道消失，称为“预夹断”。当vDS再增加时（即vDS＞vGS-VT）：iD将不再增加，趋向饱和。因为vDS再增加时，近漏端上的预夹断点向s极延伸，使vDS的增加部分降落在预夹断区，以维持iD的大小。伏安特性与电流方程(1)增强型NMOS管的转移特性在一定vDS下，栅-源电压vGS与漏极电流iD之间的关系constvGSDDSvfi|)(2)1(TGSDODVvIiIDO是vGS=2VT时的漏极电流。IDO表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系(2)输出特性(漏极特性)constvDSDGSvfi|)(•可变电阻区•放大区(恒流区、饱和区)•截止区(夹断区)特性与三极管相似，分为3个工作区，但工作区的作用有所不同。管子导通，但尚未预夹断，即满足的条件为：可变电阻区TDSGSTGSVvvVv,可变电阻区的特征是iD不仅受vGS的控制，而且随vDS增大而线性增大。可模拟为受vGS控制的压控电阻RDS。constvDDSDSGSivR又称恒流区、饱和区。条件是：放大区特征是iC主要受vGS控制，与vDS几乎无关，表现为较好的恒流特性。TDSGSTGSVvvVv,夹断区又称截止区。指管子未导通(vGS＜VT)时的状态。0Di耗尽型MOS管制造过程人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子。vGS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层，将两个N+区连通，形成原始的N型导电沟道。vDS一定，外加正栅压(vGS＞0)，导电沟道变厚，沟道等效电阻下降，漏极电流iD增大；外加负栅压(vGS＜0)时，沟道变薄，沟道电阻增大，iD减小。vGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD≈0，管子截止。放大区的电流方程：耗尽型NMOS的伏安特性2)1(PGSDSSDVvIiIDSS为饱和漏极电流，是vGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。NMOSPMOS二、结型效应管（JFET）结构与符号N区作为N型导电沟道，引出s极和d极。在N区两侧扩散两个P＋区，形成两个PN结。两个P＋区相连，引出g极，没有衬底B极。N沟道P沟道JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）控制iD，称为体内场效应器件；MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD，称为表面场效应器件。vGS＝0时，存在N型导电沟道（N型区）。vGS＜0时，耗尽层增厚，导电沟道变薄。所以属于耗尽型FET，原理和特性与耗尽型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个PN结必须反偏，如对N沟道JFET，要求vGS≤0。工作原理JFET的伏安特性（以N沟道JFET为例）伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但要求VGS不能正偏。三、场效应管的主要参数直流参数[开启电压VT]增强型管的参数。[夹断电压VP]耗尽型管的参数。[输入电阻RGS(DC)]因iG=0，所以输入电阻很大。JFET大于107Ω，MOS管大于109Ω。[饱和漏极电流IDSS]指耗尽型管在vGS=0时的漏极电流。交流参数[低频跨导(互导)gm][交流输出电阻rds]constDSvGSDmvigconstGSvDDSdsivr跨导gm反映了栅压对漏极电流的控制能力，且与工作点有关，是转移特性曲线的斜率。gm的单位是mS。rds反映了漏-源电压变化量对漏极电流变化量的影响，在恒流区内，是输出特性曲线的切线斜率的倒数。其值一般为若几十kΩ。极限参数[最大漏-源电压V(BR)DS]漏极附近发生雪崩击穿时的vDS。[最大栅-源电压V(BR)GS]栅极与源极间PN结的反向击穿电压。[最大耗散功率PDM]同三极管的PCM相似。受管子的最高工作温度及散热条件决定。当超过PDM时，管子可能烧坏。1.3.2场效应管放大电路三种基本组态：共源(CS)、共漏(CD)和共栅(CG)场效应管组成放大电路的原则和方法与三极管相同：为使场效应管正常工作，各电极间必须加上合适的偏置电压；为了实现不失真放大，也同样需要设置合适且稳定的静态工作点。场效应管是一种电压控制器件，只需提供栅偏压，而不需要提供栅极电流，所以它的偏置电路有其自身的特点。不同FET类型对偏置电压的要求增强型耗尽型种类电压NMOSPMOSN结型P结型NMOSPMOSvGS正负负正负(或正)正(或负)vDS正负正负正负FET偏置电路类型：固定偏置电路自偏压偏置电路分压式自偏压电路一、场效应管的直流偏置和静态工作点计算自给栅偏压电路（只适用于耗尽型FET）自偏压电路sDSGGSRIVVVRg为栅极泄放电阻，泄放栅极感生电荷，通常取0.1～10MΩ。Rs为源极偏置电阻，作用类似于共射电路的Re，可以稳定电路的静态工作点Q。由于IG＝0，所以Rg上无直流压降，VG＝0。由于耗尽型FET在VGS＝0时存在导电沟道，所以电路有漏极电流ID。分压式自偏压电路•适用于耗尽型和增强型FET•在自偏压电路的基础上增加分压电阻构成若VG＞IDRs，则可适用于增强型管（N沟道）；若VG＜IDRs，则可适用于耗尽型MOS管或JFET。sDgggDDsDGGSRIRRRVRIVV212上式称为偏压线方程静态工作点的计算图解法求静态工作点由转移特性曲线和偏压线方程(为一直线)求输入回路的工作点；由输出特性曲线和直流负载线求输出回路的工作点。估算法求静态工作点由FET的电流方程和偏压线方程两组方程联立求解，通常舍去不合题意的一组后得静态工作点。【例1.3.1】已知VDD=18V，Rs=1kΩ，Rd=3kΩ，Rg=3MΩ，耗尽型MOS管的VP=-5V，IDSS=10mA。试用估算法求电路的静态工作点。解：22)51(10)1(1GSPGSDSSDDsDGSVVVIIIRIVV8)(sdDDDDSQRRIVVV8mA8V5.2mA5.2GSDGSDVIVI25110DDII不合题意，舍去。【例1.3.2】解：栅极回路有:DsDDDGSIRIVRRRV5.26211设VDD=15V，Rd=5kΩ，Rs=2.5kΩ，R1=200kΩ，R2=300kΩ，Rg=10MΩ，RL=5kΩ，并设电容C1、C2和Cs足够大。试用图解法分析静态工作点Q，估算Q点上场效应管的跨导gm。由图可得VGSQ=3.5V，IDQ=1mA。输出回路列出直流负载线方程：VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID由转移特性得:开启电压VT=2V；当VGS=2VT=4V时，ID=IDO=1.9mA。mS38.12DQDOTmIIVg由图可求得静态时的VDSQ=7.5V。或直接由图得：mS4.1344.08.1GSDmvig【例1.3.3】为增强型NMOSFET设计偏置电路。设VT=2V，IDO=0.65mA，其余电路参数如图中所示。要求工作在放大区，ID=0.5mA,且流过偏置电阻R1和R2的电流约为0.1ID，试选择偏置电阻R1和R2的阻值。解：假设MOS管工作在放大区(即饱和区)。2)1(TGSDODVvIi2)12(65.05.0GSvV25.0V75.3GSGSvv(舍去)k2005.01.0551.02121RRIRRVVDSSDD][)(212SSsDSSDDSGGSVRIVVRRRVVVk952R25.010k20075.32Rk1051R∴MOS工作在放大区，假设正确。V4)(sdDSSDDDSRRIVVVV75.1275.3TGSDSVVV取标称值：R2=95kΩ，R1=110kΩ。验证假设是否成立：二、场效应管线性与开关应用举例电压传输特性FET除了与三极管一样用作放大器和可控开关外，还可用作压控电阻。BCQD段：VT＜vGS＜6V，FET工作在恒流区（放大区）内。Vsin5.0tvi例如(V)sin5.05.4tvVviGGGS(V)sin5.38.5tvVvdsDSQDS75.05.3iovVVA用作放大器EFG段：vGS＞6V，FET工作在可变电阻区，vO≈0AB段：vGS＜VT，FET工作在截止区，vO＝VDD令vGS＝0，输入一个快速变化的矩形波，则FET交替工作在截止区和可变电阻区。用作可控开关当vGS=9V时，工作点移至F点，MOS管工作于可变电阻区，vDS=0.2V，相当于开关接通；当vGS=0V时，工作点移至A，MOS管截止，vDS=12V,iD=0,相当于开关断开。用作压控电阻在可变电阻区，iD随vDS近似线性增加，且vDS与iD的比值(即RDS)受vGS控制，等效为压控电阻。电路vDS较低时的输出特性RDS与vGS的关系【例1.3.4】求图示电路压控电阻，设R1＝R2。解：12RvvRvvIGSGSDS]2)([222DSPGSDSPDSSDvVvvVIiDSIGSvvv21211212)2(2)2(2PIDSSPDSPGSDSSPDDSDSVvIVvVvIVivR2112RRvRvRvDSIGS当R1＝R2时，则