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第5章场效应管及其基本放大电路,5.1场效应管1.特点(1)它是利用改变外加电压产生的电场效应来控制其导电能力的半导体器件。(2)它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。(3)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，(4)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。(5)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。,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）,2.场效应管分类：,5.1.1结型场效应管,结型场效应管的结构在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个P+N结，即耗尽层。把两个P+区联接在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。,三个区域：一个N型区，两个P型区。三个电极：源极s，漏极d，栅极g。两个PN结：一个导电沟道：N型导电沟道,夹在两个P+N结中间的区域N区,是电流的通道称为导电沟道（简称沟道）。,如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。符号中栅极上的箭头表示栅结正偏时电流的方向（PN），用来识别何种沟道。,1.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),*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。,(1)当uDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用,uGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽,uGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟道相应变窄。,当uGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟道被夹断.,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示,(2)当uGS为UGS（Off)0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。,uGS=0，uGDUGS（Off)，iD较大。,uGSUGS（Off)，iD更小。,注意：当uDS0时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),uGDuGSuDS,uGS0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断,uGS0,uGDuGS(off),夹断，iD几乎不变,(c),(d),uGDuGSuDS,（3)当uGDuGS(off)时，uGS对漏极电流iD的控制作用,对应于确定的uGS，就有确定的iD。,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。,gm=iD/uGS,(单位mS),小结,(1)在uGDuGSuDSuGS(off)情况下,即当uDSuGS-uGS(off)对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当uDS使uGDuGS(off)时，d-s之间预夹断,(3)当uDS使uGDuGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,2.结型场效应管的特性曲线,由于结型场效应管的栅极输入电流iG0，因此很少应用输入特性曲线，常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。(1)输出特性曲线输出特性曲线用来描述uGS取一定值时，电流iD和电压uDS间的关系，即它反映了漏-源电压uDS对iD的影响。N沟道结型场效应管的输出特性曲线如图所示,可变电阻区uGDUGS(off)时,uGS一定,uDS较小时,iD随uDS升高而线性增大,d-s间等效为一个电阻。改变uGS可改变等效电阻的阻值。恒流区uGDUGS(off)时,uGS不变时，iD基本不随uDS而改变，故称为恒流区或饱和区,实为放大区。夹断区uGS=UGS(off)时，iDO。,击穿区当uDS升高到使uGD=U(BR)GD时,PN结被反向击穿,iD突然增大,叫击穿区。,uGD=UGS(off)uDS=uGS-UGS(off),U(BR)DS=uGS-U(BR)GD,结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。(a)可变电阻区可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，它表示uDS较小、管子预夹断前，电压uDS与漏极电流iD间的关系。在此区域内有UGS(off)uGS0，uDSuGSUGS(off)。当uGS一定，uDS较小时，uDS对沟道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与uDS之间基本呈线性关系。若|uGS|增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在uDS较小时，源-漏极间可以看作是一个受uGS控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。,(b)饱和区(恒流区、线性放大区)当UGS(off)uGS0且uDSuGSUGS(off)时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压uDS与漏极电流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随uDS的变化而变化，iD已趋于饱和，但它受uGS的控制。|uGS|增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作线性放大器件用时，就工作在饱和区。输出特性曲线图中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线，是结型场效应管的预夹断点（uDS=uGS-UGS(off)）的轨迹。显然，预夹断点随uGS改变而变化，uGS愈负，预夹断时的uDS越小。,(c)击穿区管子预夹断后，若uDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压uGD增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。管子被击穿后再不能正常工作。(d)截止区(又称夹断区)当栅-源电压uGSUGS(off)时，沟道全部被夹断，iD0，这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近。,(2)转移特性,转移特性曲线用来描述uDS取一定值时，iD与uGS间的关系的曲线，即:,图1.4.6转移特性,uGS=0，iD最大；uGS愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)，iD0。,两个重要参数,饱和漏极电流IDSS(uGS=0时的iD),夹断电压UGS(off)(iD=0时的uGS),转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。作法如下：在图所示的输出特性中作一条uDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点所对应的iD、uGS的值转移到iD-uGS直角坐标系中,即可得到转移特性曲线。,(2)转移特性,转移特性曲线用来描述uDS取一定值时，iD与uGS间的关系的曲线，即:,(UGS(off)uGS0),式中IDSS为uGS=0，uDS0时的漏极电流，称为饱和漏极电流。,改变uDS的大小，可得到一族转移特性曲线,但当uDS大于一定数值后，不同uDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内iD几乎不随uDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与uGS的关系。在饱和区内iD可近似地表示为：,uDS较大,uDS较小,5.1.2绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-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。,在掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并引出两个电极，分别作漏极d和源极s。在半导体表面制作一层很薄的SiO2绝缘层，在绝缘层上再制作一层铝，引出电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的。,1.N沟道增强型MOS管,结构,代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反。,1.N沟道增强型MOS管,(1)工作原理,(a)uGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(b)uDS=0，0uGSUGS(th),D,栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大uGS耗尽层变宽。,(c)uDS=0，uGSUGS(th),由于吸引了足够多P型衬底的电子，,会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层反型层、N型导电沟道。,B,G,S,VGG,uGS升高，N沟道变宽。因为uDS=0，所以iD=0。,UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的uGS，称开启电压。,(d)uDS对导电沟道的影响(uGSUT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。,.uDS=uGSUT，uGD=UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,.uDSuGSUT，uGDUT,由于夹断区的沟道电阻很大，uDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。,.uDSUT,D,P型衬底,B,G,S,VGG,VDD,P型衬底,B,G,S,D,VGG,VDD,P型衬底,B,G,S,D,VGG,VDD,uDS对导电沟道的影响,(a)uGDUT,(b)uGD=UT,(c)uGDUT,在uDSuGSUT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,(2)特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,uGSUT，iD=0；,uGSUT，形成导电沟道，随着uGS的增加，iD逐渐增大。,(当uGSUT时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,2.N沟道耗尽型MOS管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使uGS=0也会形成N型导电沟道。,+,+,uGS=0，uDS0，产生较大的漏极电流；,uGS0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD减小；,uGS=UP,感应电荷被“耗尽”，iD0。,UP或UGS(off)称为夹断电压,N沟道耗尽型MOS管特性,工作条件：uDS0；uGS正、负、零均可。,耗尽型MOS管的符号,N沟道耗尽型MOSFET,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当uGSUGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0uGS可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,各类场效应管的符号和特性曲线,5.1.3场效应管的主要参数,1.直流参数,(1)饱和漏极电流IDSS对于结型管，在uGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流。,(2)夹断电压UP或UGS(off)对于耗尽型管，是在uDS为一常量时,iD为规定的微小电流时的uGS值。,(3)开启电压UT或UGS(th)对于增强型管，是在uDS为一常量时,使iD大于零所需的最小uGS值。,(4)直流输入电阻RGS等于栅源电压与栅极电流之比。,输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。,2.交流参数,(1)低频跨导gm,(2)极间电容,用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。,单位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,3.极限参数,（3）漏极最大允许耗散功率PDM,(2)漏源击穿电压U(BR)DS,（4）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。,结型管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，使PN结被击穿时的uGS；MOS管工作时，使绝缘层被击穿时的uGS。,(1)最大漏极电流IDM管子正常工件时漏极电流的上限。,例5.1.1,已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)4V,例5.4.2,电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线如右图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)4V,解：,(1)ui为0V，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0VDD15V,(2)uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD1mA，u0uDSVDD-iDRD10V,(3)uGSui10V时，,若工作在恒流区，iD2.2mA。因而u015-2.2*54V,但是，uGS10V时的预夹断电压为,uDS=uGSUT=(10-4)V=6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,从输出特性曲线可得uGS10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,晶体管,场效应管,结构,NPN型、PNP型,结型耗尽型N沟道P沟道,绝缘栅增强型N沟道P沟道,绝缘栅耗尽型N沟道P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子多子扩散少子漂移多子运动,输入量电流输入电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(),电压控制电流源VCCS(gm),5.1.4场效应管与晶体管的比较,噪声较大较小,温度特性受温度影响较大较小,输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上,静电影响不受静电影响易受静电影响,集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成,晶体管,场效应管,1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性不能接反。3当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。4MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。,使用场效应管的注意事项,5.2场效应管放大电路,场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗的特点。,（以N沟道结型场效应管为例）,5.2.1场效应管放大电路静态工作点的设置,图5.2.2基本共源放大电路,与双极型三极管对应关系,bG,eS,cD,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,N沟道增强型MOS场效应管组成的基本共源放大电路。,(UT：开启电压),1、基本方法,静态分析UGSQ、IDQUDSQ,两种方法,近似估算法,图解法,(1)近似估算法,MOS管栅极电流为零，当uI=0时,UGSQ=VGG,而iD与uGS之间近似满足,(当uGSUT),式中IDO为uGS=2UT时的值。,则静态漏极电流为,(2)图解法,利用式uDS=VDD-iDRD画出直流负载线。,图中IDQ、UDSQ即为静态值。,UGSQ=,UDSQ=,已知UP或UGS（Off),VDD,-IDQ(Rd+R),-IDQR,可解出Q点的UGSQ、IDQ、UDSQ,如知道FET的特性曲线，也可采用图解法。,2.自给偏压电路(适用于耗尽型FET),图2.7.4(a)JFET自给偏压共源电路,耗尽型MOS管自给偏压共源电路的分析方法与之类似。,3.分压式偏置电路,(1)Q点近似估算法,根据输入回路列方程,解联立方程求出UGSQ和IDQ。,列输出回路方程求UDSQ,UDSQ=VDDIDQ(RD+RS),将IDQ代入，求出UDSQ,(2)图解法,由式,可做出一条直线，,另外，iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点，确定UGSQ，IDQ。,根据漏极回路方程,在漏极特性曲线上做直流负载线，与uGS=UGSQ的交点确定Q，由Q确定UDSQ和IDQ值。,UDSQ,uDS=VDDiD(RD+RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,5.2.2场效应管的交流等效模型,用特性曲线求参数,rds值很大，当外电路电阻较小时可视为开路。,用转移特性表达式求gm,iD的全微分为,上式中定义：,场效应管的跨导(毫西门子mS)。,场效应管漏源之间输出电导。,如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。,成为：,根据上式做等效电路如图所示。,MOS管的低频小信号等效模型,由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。,微变参数gm和rDS,(1)根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。,(2)用求导的方法计算gm（以增强型MOS管为例）,在Q点附近，可用IDQ表示上式中iD，则,一般gm约为0.1至20mS。rDS为几百千欧的数量级。当RD比rDS小得多时，可认为等效电路的rDS开路。,5.2.3共源放大电路的动态分析,基本共源放大电路的等效电路,而,所以,输出电阻,Ro=RD,输入电阻Ri=,分压式偏置电路的动态分析,等效电路如图所示,由图可知,电压放大倍数,输入、输出电阻分别为,分压式偏置电路等效电路,+,T,+,RG,S,D,G,RD,Rg2,RL,RS,Rg1,C1,CS,C2,+,+,+,5.2.4共漏放大电路的动态分析,静态,动态,两式联立求得IDQ、UGSQ,共漏放大电路,源极输出器或源极跟随器,基本共漏放大电路,典型电路如右图所示。,静态分析,分析方法与“分压-自偏压式共源电路”类似，可采用估算法和图解法。,动态分析,（1）电压放大倍数,微变等效电路,而,所以,（2）输入电阻,Ri=RG+(Rg1/Rg2),（3）输出电阻,微变等效电路,因输入端短路，故,则,所以,实际工作中经常使用的是共源、共漏组态。,在电路中，外加，令，并使RL开路,场效应管放大电路与晶体管放大电路的性能比较,场效应管放大电路的共源电路、共漏电路、共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路、共集电路、共基电路相对应。共源电路与共射电路均有电压放大作用，且输出电压与输入电压相位相反。为此，可统称这两种放大电路为反相电压放大器。共漏电路与共集电路均没有电压放大作用且输出电压与输入电压同相位。因此，可将这两种放大电路称为电压跟随器。共栅电路和共基电路均有输出电流与输入电流接近相等。为此，可将它们称为电流跟随器。而且两种放大电路的输入电流都比较大，输入电阻都比较小。,场效应管放大电路最突出的优点是，共源、共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共射、共集和共基电路的输入电阻。此外，场效应管还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于三极管的特点，而且便于集成。场效应管的低频跨导一般比较小，所以场效应管的放大能力比三极管差，共源电路的电压增益往往小于共射电路的电压增益。另外，场效应管在使用时应注意保护，以免栅源极间的绝缘层被击穿。,5.2.5单极型晶体管基本放大电路的频率响应,1.场效应管的高频等效模型,2.场效应管基本放大电路的频率响应,在中频段开路，C短路，中频电压放大倍数为,在高频段，C短路，考虑的影响，上限频率为：,在低频段，开路，考虑C的影响，下限频率为：,电压放大倍数,
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