第四章场效应管及其放大电路课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 场效应管放大电路,F,ield,E,ffect,T,ransistor (,FET,),4.1 结型场效应三极管(,JFET),(1)结型场效应三极管的结构,JFET,的结构如图所示，它是在,N,型半导体硅片,的两侧各制造一个,PN,结，形成两个,PN,结夹着一个,N,型沟道的结构。一个,P,区即为,栅极,，,N,型硅的一端是,漏极,，另一端是,源极,。,(,动画2-8,）,(2)结型场效应三极管的工作原理,栅源电压对沟道的控制作用,当,V,GS,=0,时，若漏、源之间加有一定电压，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。,当,V,GS,0,时，,PN,结反偏，形成耗尽层，漏、源间的,沟道将变窄，,I,D,将减小，,V,GS,继续减小，沟道继续变,窄，,I,D,继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应,的栅源电压,V,GS,称为夹断电压,V,P,。,这一过程动画,所示。,（,动画2-9,）,漏源电压对沟道的控制作用,当,V,DS,增加到使,V,GD,=,V,GS,-,V,DS,=V,P,时，在紧靠漏,极处出现预夹断。当,V,DS,继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向延长。,在栅极加上电压，且,V,GS,V,P,，,若漏源电压,V,DS,从零开始增加，则,V,GD,=,V,GS,-,V,DS,将随之减小。使靠近漏,极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。,(3)结型场效应三极管的特性曲线,JFET,的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，,二是输出特性曲线。,(,a),漏极输出特性曲线 (,b),转移特性曲线,N,沟道结型场效应三极管的特性曲线,动画（2-6）动画（2-7）,N,沟道增强型,MOSFET,的结构示意图和符号如图,。其中：,D(Drain),为漏极,相当于,c,；,G(Gate),为栅极，相当于,b；,S(Source),为源极,相当于,e。,N,沟道增强型,MOSFET,结构示意图,（,动画2-3,）,4.3 金属 氧化物 半导体场效应管,M,etal,O,xide,S,emiconductor FET,(,MOSFET,),。,又称绝缘栅型场效应三极管,分为,增强型,N,沟道、,P,沟道,耗尽型,N,沟道、,P,沟道,一个是,漏极,D,，,一个是,源极,S,。,在源极和漏极之间的,绝缘层上镀一层金属铝作为,栅极,G,。P,型半导体称为,衬底,，用符号,B,表示。,(1),N,沟道增强型,MOSFET,结构,N,沟道增强,型,MOSFET,基本上是一种左右对称的结构，它是在,P,型半导体上生成一层,SiO,2,薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的,N,型区，从,N,型区引出电极，,当栅极加有电压时，若,0,V,GS,V,T,时，通过栅极和,衬底间的电容作用，将靠近栅极,下方的,P,型半导体中的空穴向下,方排斥，出现了一薄层负离子的,耗尽层。耗尽层中的少子将向表,层运动，但数量有限，不足以形,成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流,I,D,。,工作原理,1栅源电压,V,GS,的控制作用,当,V,GS,=0V,时,，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在,D、S,之间加上电压不会在,D、S,间形成电流。,V,GS,对漏极电流的控制关系可用,I,D,=,f,(,V,GS,),V,DS,=const,这一曲线描述，称为,转移特性曲线,。,进一步增加,V,GS，,当,V,GS,V,T,时（,V,T,称为开启电压)，由于此,时的栅极电压已经比较强，在靠近,栅极下方的,P,型半导体表层中聚集较,多的电子，可以形成沟道，将漏极,和源极沟通。如果此时加有漏源电,压，就可以形成漏极电流,I,D,。,在栅,极下方形成的导电沟道中的电子，,因与,P,型半导体的载流子空穴极性,相反，故称为,反型层,。,(,动画2-4,）,随着,V,GS,的继续增加，,I,D,将不断增加。在,V,GS,=0V,时,I,D,=0，,只有当,V,GS,V,T,后才会出现漏极电流，这种,MOS,管称为,增强型,MOS,管,。,V,GS,对漏极电流的控制特性转移特性曲线,转移特性曲线的斜率,g,m,的大小反映了栅源电压,对漏极电流的控制作用。,g,m,的量纲为,mA/V，,所以,g,m,也称为,跨导,。跨导的定义式如下,g,m,=,I,D,/,V,GS,V,DS,=const,(,单位,mS),I,D,=,f,(,V,GS,),V,DS,=const,2漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,当,V,GS,V,T,，,且固定为某一值时，来分析漏源电,压,V,DS,对漏极电流,I,D,的影响。,V,DS,的不同变化对沟道的影,响如图所示。根据此图可以有如下关系,V,DS,=,V,DG,V,GS,=,V,GD,V,GS,V,GD,=,V,GS,V,DS,当,V,DS,为0或较小时，,相当,V,GS,V,T,，,沟道分布如图,，,此时,V,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,漏源电压,V,DS,对沟道的影响,(动画2-5),当,V,DS,为0或较小时，,相当,V,GS,V,T,，,沟道分布,如图，此时,V,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当,V,DS,增加到使,V,GS,=,V,T,时，沟道如图所示。这相当于,V,DS,增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的,情况，称为,预夹断,。,当,V,DS,增加到,V,GS,V,T,时，沟道如图所示。此时预,夹断区域加长，伸向,S,极。,V,DS,增加的部分基本,降落在随之加长的夹断沟道上，,I,D,基本趋于不变,。,当,V,GS,V,T,，,且固定为某一值时，,V,DS,对,I,D,的影响，,即,I,D,=,f,(,V,DS,),V,GS,=const,这一关系曲线如图所示。这一曲线称,为,漏极输出特性曲线,。,漏极输出特性曲线,I,D,=,f,(,V,DS,),V,GS,=const,(2),N,沟道耗尽型,MOSFET,当,V,GS,0,时，将使,I,D,进一步增加。,V,GS,0,时，,随着,V,GS,的减小漏极电流逐渐减小，直至,I,D,=0。,对,应,I,D,=0,的,V,GS,称为夹断电压，用符号,V,GS(off),表示，,有时也用,V,P,表示。,N,沟道耗尽型,MOSFET,的转移特,性曲线如图所示。,N,沟道耗尽型,MOSFET,的结构和符号如图,所示，它是在栅极下方的,SiO,2,绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当,V,GS,=0,时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,(,a),结构示意图 (,b),转移特性曲线,N,沟道耗尽型,MOSFET,的结构,和转移特性曲线,(3),P,沟道耗尽型,MOSFET,P,沟道,MOSFET,的工作原理与,N,沟道,MOSFET,完全相同，只不过导电的载流,子不同，供电电压极性不同而已。这如,同双极型三极管有,NPN,型和,PNP,型一样。,伏安特性曲线,场效应三极管的特性曲线类型比较多，,根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗,尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，,其电压和电流方向也有所不同。如果按统一,规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。,为了便于绘制，将,P,沟道管子的正方向反过,来设定。有关曲线绘于图中,。,各类场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N,沟,道,增,强,型,P,沟,道,增,强,型,绝缘栅场效应管,N,沟,道,耗,尽,型,P,沟,道,耗,尽,型,结型场效应管,N,沟,道,耗,尽,型,P,沟,道,耗,尽,型,场效应三极管的参数和型号,(1)场效应三极管的参数,开启电压,V,GS(th),(,或,V,T,),开启电压是,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。,夹断电压,V,GS(off),(,或,V,P,),夹断电压是耗尽型,FET,的参数，当,V,GS,=,V,GS(off),时,漏极电流为零。,饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应三极管,当,V,GS,=0,时所对应的漏极电流。,输入电阻,R,GS,场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,，,对于结型场效应三极管，反偏时,R,GS,约大于10,7,，,对于绝缘栅型场效应三极管,R,GS,约是10,9,10,15,。,低频跨导,g,m,低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。,g,m,可以在转 移特性曲线上求取，单位是,mS(,毫西门子)。,最大漏极功耗,P,DM,最大漏极功耗可由,P,DM,=,V,DS,I,D,决定，与双极型三极管的,P,CM,相当。,(2)场效应三极管的型号,场,效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其,一是与双极型三极管相同，第三位字母,J,代表结型场,效应管，,O,代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表,材料，,D,是,P,型硅，反型层是,N,沟道；,C,是,N,型硅,P,沟,道。例如,3,DJ6D,是结型,N,沟道场效应三极管，3,DO6C,是绝缘栅型,N,沟道场效应三极管。,第二种命名方法是,CS#，CS,代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如,CS14A、CS45G,等。,几种常用的场效应三极管的主要参数见表。,表02.02 场效应三极管的参数,双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管,场效应三极管,结构,NPN,型,结型耗尽型,N,沟道,P,沟道,PNP,型,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,多子漂移,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(,g,m,),双极型三极管,场效应三极管,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,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,4.4 场效应管放大电路,共源组态基本放大电路,对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即,VCCS。,共源组态的基本放大电路如图所示。,(,a),采用结型场效应管,(,b),采用绝缘栅场效应管,共源组态接法基本放大电路,比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了,。,(1)直流分析,将共源基本放大电路的直流通道画出,如图所示,。,共源基本放大,电路的直流通道,图中,R,g1,、,R,g2,是栅极偏置电阻，,R,s,是源极电阻，,R,d,是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的,R,b1,、,R,b2,，,R,e,和,R,c,分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间,PN,结是反偏工作，无栅流，那么,JFET,和,MOSFET,的直流通道和交流通道是一样的。,可写出下列方程,V,G,=,V,DD,R,g2,/(,R,g1,+R,g2,),V,GSQ,=,V,G,V,S,=,V,G,I,DQ,R,I,DQ,=,I,DSS,1(,V,GSQ,/V,P,),2,V,DSQ,=,V,DD,I,DQ,(,R,d,+R,),于是可以解出,V,GSQ,、,I,DQ,和,V,DSQ,。,微变等效电路,(2)交流分析,画出微变等效电路，如图所示。,与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。,VCCS,的电流源 还并联了一个输出电阻,r,ds,，,在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样,。,电压放大倍数,如果有信号源内阻,R,S,时,=,g,m,R,L,R,i,/(,R,i,+,R,S,),式中,R,