第3章 场效晶体管及场效晶体管放大电路

第3章场效晶体管及场效晶体管放大电路场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET).场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。要求：1、掌握场效应管的分类、特点、特性曲线及参数，了解其结构、工作原理。2、掌握场效应管放大电路的分析方法和指标计算。N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效晶体管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效晶体管分类：第3章效晶体管及场效晶体管放大电路3.1结型场效晶体管3.2绝缘栅型场效晶体管3.3各种场效晶体管的比较3.4场效晶体管放大电路DSGN符号一、结构N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。3.1结型场效应管P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS二、结型场效应管工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。①UGS对沟道的控制作用当UGS＜0时当沟道夹断时,ID减小至0，此时对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS(off)。对于N沟道的JFET，UPGS(off)0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄UGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续变小DP+P+NGSUDSIDUGS当UGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID,此时最大。沟道电阻变大ID变小根据其结构，它只能工作在反偏条件下，N沟道管加负栅源电压，P沟道管加正栅源电压，否则将会出现栅流。二、结型场效应管工作原理②UDS对沟道的控制作用当UGS=0时，UDSIDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当UDS增加到使UGD=UGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时UDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变DP+P+NGSUDSIDUGS二、结型场效应管工作原理③UGS和UDS同时作用时当UPUGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的UDS，ID的值比UGS=0时的值要小。在预夹断处UGD=UGS-UDS=UPDP+P+NGSUDSIDUGS二、结型场效应管工作原理综上分析可知•沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。•JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制•预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。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。三、结型场效应管的特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)常数DS)(GSDUufiOuGSiDIDSSUPuGS=0，iD最大；uGS愈负，iD愈小；uGS=UP，iD0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP(ID=0时的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS+mA转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP2.输出特性曲线当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：常数GS)(DSDUufi)0()1(GSP2PGSDSSDuUUuIi≤≤IDSS/VPGSDSUUUiD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7V8PU预夹断轨迹恒流区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS+mA击穿区#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？const.uDSDGS)u(fi(2)转移特性const.uGSDDS)u(fi)uU()Uu(IiGSoffGSoffGSGSDSSD012）（）（UGS(off)(1)输出特性结型场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型3.2绝缘栅型场效应管MOSFEMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010(有资料介绍可达1014）以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E绝缘栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管1.结构3.2绝缘栅场效应管当UGS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UGS=UGS(th)时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成iD.2、N沟道增强型MOS场效应管工作原理UDSiD++--++--++++----UGS反型层当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加什么电压都不会在D、S间形成电流iD，即iD≈0。当UGSUGS(th)时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，iD将进一步增加。开始时无导电沟道，当在UGSUGS(th)时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管一方面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。当UGS＞UGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。UDS=UDG＋UGS=－UGD＋UGSUGD=UGS－UDS当UDS为0或较小时，相当UGD＞UGS(th)，此时UDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID。另一方面，漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用当UDS增加到使UGD=UGS(th)时，当UDS增加到UGDUGS(th)时，增强型MOS管这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和。此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS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UDS对漏极电流ID的控制作用UGD=UGS－UDSDGSDGSGSDDiIIi时的是T0T2T0U2u)Uu()1Uu(3、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线iD=f(uGS)uDS=C转移特性曲线iD=f(uDS)uGS=C输出特性曲线uDS(V)iD(mA)当uGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：uGS一定时，iD基本不随uDS变化而变化。uGS/V3.2.2N沟道耗尽型MOS场效应管+++++++耗尽型MOS管存在原始导电沟道1.结构2.N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当UGS＞0时,将使iD进一步增加。当UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。UGS(V)iD(mA)UPN沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS03.N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线UGS(V)iD(mA)UP转移特性曲线2.夹断电压UP：是耗尽型FET的参数，当UGS=UP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。1.开启电压UT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。4.直流输入电阻RGS(DS):栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。3.2.3场效应管的主要参数一、直流参数1.低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CUGSDmDSdudig2.极间电容Cgs—栅极与源极间电容Cgd—栅极与漏极间电容Csd—源极与漏极间电容二、交流参数3.2.3场效应管的主要参数三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流IDMN沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效晶体管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效晶体管的分类3.3场效晶体管的比较绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型3.3各种场效晶体管的比较绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型场效晶体管与晶体管的区别1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102~104；场效晶体管的输入电阻高，可达109~1014场效晶体管与晶体管的应用均可用于放大电路和开关电路，构成品种繁多的集成电路。一、基本共源放大电路三、分压式偏置电路一、场效应管的低频小信号等效模型二、基本共源放大电路的动态分析3.4.1场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析二、自给偏压电路3.4.2场效晶体管放大电路的动态分析三、基本共漏放大电路的动态分析3.4场效晶体管放大电路场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。（以N沟道结型场效应管为例）场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（b）共漏电路（c）共栅电路3.4.1场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析3.4.1场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析NJEFTPJEFT增强型NMOS增强型PMOS耗尽型NMOS耗尽型PMOSUGS负正正负正、零、负正、零、负UDS正负正负正负场效应管偏置电压的极性表一、自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2PGSQDSSD)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？3.4.1场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析1.估算法一、自给偏压电路sDQSQGQGSQRIUUU)(sdDQDDDSQRRIVU+3.4.1场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析2.图解法二、分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2TGSQDOD)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+为什么加Rg3?其数值应大些小些？哪种