第五章场效应管放大电路

电子与通信工程系电子学教研室第5章场效应管放大电路5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.2MOSFET放大电路5.3结型场效应管（JFET）电子与通信工程系电子学教研室场效应晶体管（FieldEffectTransistor简称FET）:是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。BJT是一种电流控制器件，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高,抗辐射能力强等优点，得到了广泛应用。第5章场效应管放大电路下一页返回上一页电子与通信工程系电子学教研室场效应管结构结型场效应管（JFET）P沟道N沟道金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET，绝缘栅场效应管）增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管的分类场效应管三极g栅极(控制极)s源极d漏极基极b发射极e集电极c晶体管三极下一页返回上一页第5章场效应管放大电路耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道电子与通信工程系电子学教研室漏极D栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。金属电极1N沟道增强型管的结构栅极G源极S5.1.1N沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底高掺杂N区SiO2绝缘层下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室符号：由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014。漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底高掺杂N区由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。下一页返回上一页GSD衬底B5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室2N沟道增强型管的工作原理---P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N①当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管。SD②当vGS0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层，同时排斥P型衬底中的空穴。---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid③当vGS＞vT时，由于栅极电压较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，形成一个N型沟道，将漏极和源极沟通。称为反型层。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。N型导电沟道在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。(1)栅源电压vGS的控制作用下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGidN型导电沟道在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。下一页返回上一页定义：开启电压（VT）——刚刚产生沟道所需的栅—源电压VGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：vGS＜VT，管子截止，vGS＞VT，管子导通。vGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏极电流ID越大。5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室(2)漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用当vGS＞vT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。①vDS=0时，iD=0。②vDS↑→iD↑；靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,整个沟道呈楔形分布。③当vDS增加到使vGD＝vGS－vDS＝vT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。④vDS再↑，预夹断区加长，沟道电阻↑，iD基本不变。---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid---二氧化硅NisdNVb++DDdVP衬底GGg---GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+---P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVgMOSFET工作原理动画演示下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室3特性曲线下一页返回上一页（1）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)(vvfi①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。输出特性：在vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏极电压vDS之间的关系。三个区：可变电阻区(预夹断前)。恒流区也称饱和区（预夹断后）。截止区（夹断区）。可变电阻区恒流区截止区5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室②可变电阻区(vDS≤vGS-vT)2DnGSTDS[2()]DSiKVvvv)(TGSndsoVKrv21n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子oxn'nCKLWLWKK22oxnnnC其中Kn为电导常数，单位：mA/V2下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVT，且vDS≥（vGS－VT）2)(TGSnDVKiv221)(TGSTnVVKv21)(TGSDOVIv2TnDOVKI是vGS＝2VT时的iDV-I特性：下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室（2）转移特性曲线转移特性：在漏极电压vDS一定的情况下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性。const.GSDDS)(vvfi恒流区内，iD受vGS的影响很小，曲线近似为一条，电流方程如下：21)(TGSDODVIivN沟道增强型MOS管正常工作时，vGS0。线性特性好于BJT下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室5.1.2N沟道耗尽型MOSFET符号：在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。SiO2绝缘层中掺有正离子予埋了N型导电沟道下一页返回上一页1.结构和工作原理GSDB衬底5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室工作原理：（1）由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在VGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压VDS，也会有漏极电流ID产生。（2）当VGS0时，使导电沟道变宽，ID增大；（3）当VGS0时，使导电沟道变窄，ID减小；VGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。（4）当VGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的VGS称为夹断电压，用VP表示。这时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极电流。下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室2耗尽型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线漏极特性曲线下一页返回上一页21)(PGSDSSDVIiv夹断电压5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室N型衬底P+P+GSD符号：1P沟道增强型SiO2绝缘层加电压才形成P型导电沟道增强型场效应管只有当VGSVT时才形成导电沟道。下一页返回上一页5.1.3P沟道MOSFET5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室2P沟道耗尽型管符号：GSD予埋了P型导电沟道SiO2绝缘层中掺有负离子下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室5.1.4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv12VKi)()(DSTGSDOvv112VIL的单位为m1V1.0L当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。修正后下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rdsGSDDSdsVirvD12TGSnds1])([iVKrv当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室DSGSDmVigv2.低频互导gm二、交流参数考虑到2TGSnD)(VKiv则DSDSGS2TGSnGSDm)]([VVVKigvvv)(2TGSnVKvnDTGS)(KiVvDn2iKLWK2Coxnn其中vGS/ViD/mAQO下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V（BR）DS4.最大栅源电压V（BR）GS下一页返回上一页5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管电子与通信工程系电子学教研室5.3结型场效应管5.3.1JFET的结构和工作原理1结构JFET是利用半导体内的电场效应，进行工作的，也称为体内场效应管结型场效应管结构动画演示下一页返回上一页N沟道JFETP沟道JFET漏极源极栅极电子与通信工程系电子学教研室2.工作原理（以N沟道JFET为例）正常工作条件（N沟道）：①栅—源之间加负向电压（vGS0），以保证耗尽层承受反向电压。②漏—源之间加正向电压（vDS0）,以形成漏极电流iD。场效应管通过栅—源电压vGS和漏—源电压vDS对导电沟道的影响来实现对iD的控制，从而实现其放大（控制）的功能。5.3结型场效应管下一页返回上一页电子与通信工程系电子学教研室NgdvGS（1）当vDS=0（d、s短路）时，vGS对导电沟道的控制作用PPs①vDS=0且vGS=0，耗尽层很窄，导电沟道很宽。②|vGS|负向增大时，PN结反偏，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大。③|vGS|负向增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，称此时vGS的值为夹断电压VP或VGS(off)。5.3结型场效应管下一页返回上一页电子与通信工程系电子学教研室NgdvGSsvDS（2）当vGS为某一固定值（VP~0）时，vDS对漏极电流iD的影响。PP①vGS为某一固定值（VP~0），存在由vGS所确定的一定宽度的沟道。若vDS=0，此时由于d—s间电压为零，沟道中的载流子不会产生定向移动，故电流iD=0。②若vDS0，则有电流iD从漏极流向源极，vDS↑则iD=↑，电流iD将随vDS的变化近似线性变化。此时沟道中各点与栅极间的电压不等耗尽层宽度不一（沟道上窄下宽，呈楔型）。5.3结型场效应管下一页返回上一页电子与通信工程系电子学教研室NgdvGSsvDSPP③一旦vDS的增大使vGD＝VP，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，称vGD＝VP为预夹断。④若vDS继续增大，vGDVGS(off)，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长。一方面，自由电子从源极向漏极定向移动所受阻力加大（从夹断区窄缝高速通过），从而导致iD减小；另一方面，随着vDS的增大，d—s间的电场增强，使iD增大。二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，vDS增大，iD近似不变，即iD仅仅取决于vGS，表现出iD的恒流特性。5.3结型场效应管下一页返回上一页电子与通信工程系电子学教研室(3)当vGDVP时，vGS对漏极电流iD的控制。在vGD=vGS-vDSVP的情况下，当vDS为一常量时