第四章 场效应管放大电路

1第四章场效应管放大电路由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管组成的放大器，其输入电阻不高。场效应管是通过改变输入电压(即利用电场效应)来控制输出电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)，目前最常用的MOS管。由于半导体三极管参与导电的两种极性的载流子，电子和空穴，所以又称为半导体三极管双极性三极管。场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又称为单极性三极管。FET－FieldEffecttransistorJFET－JunctionFieldEffecttransistorIGFET－InsulatedGateFieldEffectTransistorMOS－Metal-Oxide-Semiconductor（一）课程内容1结型场效应管和绝缘栅型场效应管。2场效应管的主要参数。3场效应管的特点。4场效应管放大电路。（二）教学基本要求1了解结型和绝缘栅型场效应管的结构，工作原理及伏安特性。2理解场效应管的主要参数。3理解场效应管的特点。4了解场效应管放大电路的结构，工作原理，静态和动态分析。（三）本章重点1场效应管的结构。2工作原理及其特点。2第四章场效应管放大电路§1结型场效应管一、结构结型场效应管有两种结构形式。N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。以N沟道为例。在一块N型硅半导体材料的的两边，利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区，使之形成两个PN结，然后将两边的P+型区连在一起，引出一个电极，称为栅极G。在N型半导体两端各引出一个电极，分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道，称为导电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子，故此沟道称为N型沟道。同理，P型沟道结型场效应管中，沟道是P型区，称为P型沟道，栅极与N型区相连。电路符号如图所示，箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。二、工作原理从结型场效应管的结构可看出，我们在D、S间加上电压UDS，则在源极和漏极之间形成电流ID。我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，则可以改变两个PN结阻档层(耗尽层)的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要降在沟道区。故|UGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流ID。如|UGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，ID下降。反之亦然。所以改变UGS的大小，可以控制漏极电流。这是场效应管工作的基本原理，也是核心部分。下面我们详细讨论。1．UGS对导电沟道的影响为了便于讨论，先假设UDS=0。(a)UGS=0(b)UGS0当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。(c)UGS=–Up若UGS的负值再进一步增大，当UGS=–Up时，两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称沟道被“夹断”了，UP称为夹断电压，此时ID=0。32．ID与UDS、UGS之间的关系假定：栅、源电压|UGS||Up|，如UGS=–1V，Up=–4V。⑴当UDS=2V时，沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的电位就不同，因而沟道内各点与栅极的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高，如：UDG=UDS–UGS=2–(–1)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，源极端为最低，如：USG=–UGS=1V，两个PN结阻挡层将出现楔形，使得靠近源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。如下图(a)所示。此时再增大UDS，由于沟道电阻增长较慢，所以ID随之增加。⑵预夹断当进一步增加UDS，当栅、漏间电压UGD等于Up时，即UGD=UGS–UDS=Up则在D极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如下图(b)所示。我们称为预夹断。如果继续升高UDS，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道电阻增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同，故这一期间ID趋于一恒定值，不随UDS的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负，沟道电阻越大，ID便越小。⑶当UGS=Up时，沟道被全部夹断，ID=0，如下图(c)所示。注意：预夹断后还能有电流。不要认为预夹断后就没有电流。由于结型场效应管工作时，我们总是要栅源之间加一个反向偏置电压，使得PN结始终处于反向接法，故ID≈0，所以，场效应管的输入电阻rgs很高。4三、特性曲线1、输出特性曲线以UGS为参变量时，漏极电流ID与与漏、源电压UDS之间的关系，称为输出特性，即常数GSUDSDUfI|)(根据工作情况，输出特性可划分为四个区域。⑴可变电阻区。可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，此区的特点是：固定UGS时，ID随UDS增大而线性上升，相当于线性电阻；改变UGS时，特性曲线的斜率变化，相当于电阻的阻值不同，UGS增大，相应的电阻增大。⑵恒流区。该区的特点是：ID基本不随UDS而变化，仅取决于UGS的值，输出特性曲线趋于水平，故称为恒流区或饱和区。⑶击穿区。位于特性曲线的最右部分，当UDS升高到一定程度时，反向偏置的PN结被击穿，ID将突然增大。UGS愈负时，达到雪崩击穿所需的UDS电压愈小。当UGS=0时其击穿电压用BUDSS⑷截止区。当|UGS|≥|UP|时，管子的导电沟道处于完全夹断状态，ID=0，场效应管截止。2、转移特性曲线当漏、源之间电压UDS保持不变时，漏极电流ID和栅、源之间电压UGS的关系称为转移特性。即常数DSUGSDUfI|)(它描述了栅、源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。由图可见：UGS=0时，ID=IDSS漏极电流最大，称为饱合漏极电流IDSS|UGS|增大，ID减小，当UGS=–Up时，ID=0。Up称为夹断电压。结型场效应管的转移特性在UGS=0～Up范围内可用下面近似公式表示：521PGSDSSDUUII根据输出特性曲线可以做出转移特性曲线。§2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层(SiO2)隔离(所以称为绝缘栅)。因此其输入电阻更高，可达109Ω以上。N沟道P沟道增强型耗尽型共有四种类型。一、N沟道增强型MOS场效应管1．结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如右图所示。把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，然后在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2层上刻出两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示)，并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极、漏极和控制栅极。衬底上也引出一根引线，通常情况下将它和源极在内部相连。2．工作原理结型场效应管是通过改变UGS来控制PN结的阻挡层宽窄，从而改变导电沟道的宽度，达到控制漏极电流ID的目的。而绝缘栅场效应管则是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流ID的目的。对N沟道增强型的MOS场效应管，当UGS=0时，在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。所以无论漏、源之间加上何种极性的电压，总是不导通的，ID=0。6当UGS0时，(为方便假定UDS=0)，则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGSUT时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应管在UGS=0时，ID=0，只有在UGSUT后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。3．特性曲线N沟道增强型场效应管，也用转移特性、输出特性表示ID、UGS、UDS之间的关系，如下图所示。转移特性：UGSUT，ID=0；UGS≥UT，才有ID。UGS↑ID↑；ID=10μA时对应的UGS定义为开启电压UT。输出特性：也可分为4个区，可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。二、N沟道耗尽型MOS管1．结构耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道，如右图所示。衬底通常在内部与源极相连。2．工作原理当UDS0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGSUP沟道消失，称为耗尽型。73．特性曲线N沟道MOS耗尽型场效应管的特性曲线如下图所示，也分为转移特性和输出特性。其中：IDSS—UGS=0时的漏极电流。UP—夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。一、直流参数1．饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。82．夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA，50μA)时所需UGS的值。3．开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS值。4．直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。二、交流参数1．低频跨导gm此参数是描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用，它的定义是当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，即常数DSUGSDmUIg跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。在转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm。或由输出特性看，在工作点处作一条垂直横坐标的直线(表示UDS=常数)，在Q点上下取一个较小的栅、源电压变化量ΔUGS，然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量ΔID/ΔUGS，则gm=ΔID/ΔUGS。此外。对结型场效应管，可由21PGSDSSDUUII求得)1(2PGSPDSSGSDmUUUIUIg只要将工作点处的UGS值代入就可求得gm2．极间电容场效应管三个极间的电容。包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。三、极限参数1．漏极最大允许耗散功率PDmPDm=IDUDS2．漏源间击穿电压BUDS在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时，外加在漏极、源极之间的电压不得超过此值。3．栅源间击穿电压BUGS结型场效应管正常工作时，栅、源之间的PN结处于反向偏置状态，若UGS过高，PN结将被击穿。对于MOS管，栅源极击穿后不能恢复，因为栅极与沟道间的SiO2被击穿属破坏性击穿。9§4场效应管的特点场效应管具有放大作用，可以组成各种放大电路，它与双极性三极管相比，具有以下几个特点：1、场效应管是一种电压控制器件通过UGS来控制ID。而双极性三极管是电流控制器件，通过IB来控制I