资源描述
第四章第四章 场效应管（场效应管（FET）及基本放大电路）及基本放大电路 FET是另一种半导体器件。是另一种半导体器件。 主要特点：输入电阻高；主要特点：输入电阻高； 温度稳定性好；温度稳定性好； 工艺简单，便于集成。工艺简单，便于集成。 它们在现代集成电路中得到了非常广泛的应用。它们在现代集成电路中得到了非常广泛的应用。 按结构分为：结型按结构分为：结型 N沟道（沟道（N-JFET） P沟道（沟道（P-JFET） 绝缘栅型（绝缘栅型（IGFETMOSFET）N沟道沟道 P沟道沟道按特性（工作方式）分为：耗尽型按特性（工作方式）分为：耗尽型 JFET MOSFET 增强型增强型 MOSFETFET分类分类 4-1 JFET 两类两类 N-JFET P-JFET 电路符号如下电路符号如下（箭头指向：箭头指向：PN） 以箭头指向区别类型；靠近栅极以箭头指向区别类型；靠近栅极(G)为源极为源极(S)端。端。 N-JFETP-JFET 一、一、JFET的结构和工作原理（的结构和工作原理（N-JFET） 引出三个电极引出三个电极 ： 源极（源极（S极）极）类似于类似于BJT的的E极极 漏极（漏极（D极）极） C极极 栅极（栅极（G极）极） B极极 导电沟道为导电沟道为N沟道。沟道。 工作原理：工作原理：利用外加电压（利用外加电压（uGS、uDS）改变导电沟道宽度，从而控）改变导电沟道宽度，从而控制漏极电流制漏极电流iD的大小。即利用半导体内电场效应，通过的大小。即利用半导体内电场效应，通过改变耗尽层宽度来改变导电沟道的宽窄，从而控制改变耗尽层宽度来改变导电沟道的宽窄，从而控制iD的的大小。大小。 （1）uGS的控制作用（的控制作用（uDS=0） 对于对于N沟道，沟道，uGS应为负电压，即应为负电压，即P+N结应处于反偏状态。结应处于反偏状态。 当当vGS绝对值绝对值耗尽层宽度耗尽层宽度导电沟道变窄导电沟道变窄当当uGS=UP时，沟道被耗尽层夹断，导电沟道不存在。时，沟道被耗尽层夹断，导电沟道不存在。这种现象称为这种现象称为“全夹断全夹断”。UP：夹断电压，沟道刚处于全夹断对应的夹断电压，沟道刚处于全夹断对应的uGS值。值。 过程见图：过程见图： （2）uDS的控制作用（的控制作用（uGS=0） (a) (b) (c) 沟道电位由沟道电位由DS逐渐逐渐，故其特点为：导电沟道为不等，故其特点为：导电沟道为不等宽的非均匀沟道，见宽的非均匀沟道，见(a)图。图。D处耗尽层最宽，导电沟道处耗尽层最宽，导电沟道最窄；最窄；S处耗尽层最窄，导电沟道最宽。沟道内电子在处耗尽层最窄，导电沟道最宽。沟道内电子在uDS作用下形成作用下形成iD（DS）。）。iD和和uDS的关系与的关系与uDS大小有关：大小有关：当当uDS较小较小(200mV)时，时，iD随随uDS近似成比例增加；近似成比例增加；当当uDS时，时， 随着随着UDS，耗近层加宽，沟道变窄，使，耗近层加宽，沟道变窄，使iD随随uDS的速度变缓的速度变缓(非线性非线性)；当再当再uDS时，使时，使uGD=UP时，耗尽层在靠近时，耗尽层在靠近D处合拢（点接处合拢（点接触），见图触），见图(b)。这种靠近。这种靠近D处的导电沟道刚刚消失的状处的导电沟道刚刚消失的状态称为态称为“预夹断预夹断”。此时对应的。此时对应的iD称为称为饱和漏电流饱和漏电流IDSS。此时此时uDS，沟道对应的状态是由一点接触（预夹断）到，沟道对应的状态是由一点接触（预夹断）到一段接触一段接触（部分夹断）（部分夹断），见图，见图(c)。iD基本不变（饱和）。基本不变（饱和）。 当当uDS至某值至某值(BUDS），），iD（击穿）。此时的漏源电压（击穿）。此时的漏源电压即即PN结击穿电压结击穿电压,称为漏源击穿电压。称为漏源击穿电压。在在iDuDS坐标系中描述坐标系中描述iD随随uDS变化的关系曲线变化的关系曲线OA段：段：UDS较小时，较小时，iDUDS（电阻性质）；（电阻性质）； AH段：段： iD随随UDS的速度变慢（非线性）；的速度变慢（非线性）；HB段：预夹断后段：预夹断后,iD基本不随基本不随UDS的的而而(饱和饱和)；B段：段：GD间间PN结反向击穿，结反向击穿，iD急剧急剧。（3）uGS、uDS同时作用同时作用 uGS为反偏，使导电沟道比为反偏，使导电沟道比uGS=0时更窄，相同时更窄，相同uDS下下iD更更小，但小，但iD随随uDS变化的规律不变。随着变化的规律不变。随着uGS的不同，曲线的不同，曲线不同，故曲线为一簇。不同，故曲线为一簇。此时预夹断条件：此时预夹断条件：uGD=uGS-uDS=UP 即：即：uDS=uGS-UP 二、二、 N-JFET特性曲线及参数特性曲线及参数 用转移特性曲线和输出特性曲线描述。用转移特性曲线和输出特性曲线描述。 1、输出特性曲线、输出特性曲线 CGSuDSDUfi)( 分为四个区分为四个区 （1）可变电阻区：）可变电阻区： 对应预夹断以前的未夹断状态（对应预夹断以前的未夹断状态（uDSuGS-uP）。在该）。在该区，区，DS间等效为一个受间等效为一个受uGS控制的电阻控制的电阻RDS。 （2）恒流区（线性放大区）：）恒流区（线性放大区）： 对应预夹断后的部分夹断状态（对应预夹断后的部分夹断状态（ uDSuGS-uP ）。在该）。在该区，区，DS等效为一个受等效为一个受uGS控制的电流源（控制的电流源（VCCS）。）。 （3）夹断区：）夹断区： 对应对应uGSUP的区域，此时沟道全夹断，的区域，此时沟道全夹断，iD=0。在该区，。在该区，DS间相当于开路。间相当于开路。 （4）击穿区：）击穿区： uDS过大，会使过大，会使DG间间P+N击穿，使用时，不能工作于此击穿，使用时，不能工作于此区。区。 2、转移特性曲线、转移特性曲线 CUGSDDSUfi)(UPuGS0（放大区内）（放大区内）由输出特性曲线可作出转移特性曲线：由输出特性曲线可作出转移特性曲线： 3、转移特性方程（放大区内）、转移特性方程（放大区内） 2)1 (PGSDSSDUuIi（平方律关系）（平方律关系） 4、P-JFET归纳归纳(1) 外加直流电源极性与外加直流电源极性与N-JFET相反：相反：uGS0， uDS0；(2) Up0；(3) iD：流出漏极为真实方向，即：流出漏极为真实方向，即iD由由SD；(4) 输出特性中的参变量输出特性中的参变量uGS为正值，曲线在第三象限；为正值，曲线在第三象限；(5) 转移特性曲线在四象限。转移特性曲线在四象限。 练习练习1 N-JFET的的UP=-4V，要保证该管工作于放，要保证该管工作于放大区，静态大区，静态UGS取值范围应是（取值范围应是（ ）。）。（1）-4V （2）-4V （3）-4V与与0V之间之间 （4）4V 练习练习2 电路如图，电路如图，IDSS=2mA，UP=-4V；求；求iD=？ 练习练习3（例（例4-1）（a） uGS=-5VUP=-4V； 沟道处于全夹断状态，管沟道处于全夹断状态，管 子工作于截止区。子工作于截止区。（b）uGS=-3VUP=-4V ，存在导电沟道；，存在导电沟道； 且且uDS=7VuGS-UP=1V，沟道部分夹断，沟道部分夹断， 故管子工作故管子工作 在恒流区（放大区）。在恒流区（放大区）。（c）uGS=0VUp=-4V，存在导电沟道；，存在导电沟道； 而而uDS=0.5VuGS-UP=1V, 沟道未夹断，管子工沟道未夹断，管子工 作在可变电阻区。作在可变电阻区。 4-2 MOSFET 目前应用较多的绝缘栅场效应管是以目前应用较多的绝缘栅场效应管是以SiO2作为金属（铝）作为金属（铝）和半导体材料之间的绝缘层，称为金属和半导体材料之间的绝缘层，称为金属-氧化物氧化物-半导体半导体场效应管（简称场效应管（简称MOS管）。管）。 MOSFET分为分为N沟道沟道 耗尽型耗尽型 增强型增强型 P沟道沟道 耗尽型耗尽型 增强型增强型耗尽型：耗尽型：uGS=0时管子内部已存在导电沟道。时管子内部已存在导电沟道。增强型：增强型：uGS=0时管子内部不存在导电沟道。时管子内部不存在导电沟道。 四种四种MOSFET的电路符号的电路符号说明：说明：1、由导电沟道为虚线、实线区分增强型、耗尽型管子；、由导电沟道为虚线、实线区分增强型、耗尽型管子；2、由箭头指向（、由箭头指向（PN）区分）区分N沟道、沟道、P沟道管子；沟道管子；3、电路中衬底、电路中衬底B通常与源极通常与源极S相连，以此区分源极和漏极。相连，以此区分源极和漏极。 一、一、N沟道增强型沟道增强型MOSFET 1、结构、结构2、工作原理、工作原理 利用半导体表面的电场效应，通过改变反型层利用半导体表面的电场效应，通过改变反型层（感生沟道）的厚薄来控制（感生沟道）的厚薄来控制iD的大小。的大小。uGS=0，不存在导电沟道（，不存在导电沟道（D-S间不通）；间不通）； uGS0，GB间产生垂直向下的电场（右下图）；间产生垂直向下的电场（右下图）； 当当uGS，因空穴被排斥而在，因空穴被排斥而在P衬底表面形成负离子层衬底表面形成负离子层（耗尽层）（耗尽层）（见左下图）（见左下图）； uGS至某值时，在绝缘层与耗尽层之间形成一个电子层至某值时，在绝缘层与耗尽层之间形成一个电子层即即N型薄层（反型层）。它沟通了型薄层（反型层）。它沟通了S和和D，是一个感生沟，是一个感生沟道，称为道，称为N沟道沟道（见右下图）。（见右下图）。此时对应的此时对应的uGS值称为值称为开启电压开启电压，用，用UT表示。表示。uGSUT形成导电沟道如下示意图（图中耗尽层未画出）。形成导电沟道如下示意图（图中耗尽层未画出）。感生沟道即导电沟道，形成感生沟道后，若此时感生沟道即导电沟道，形成感生沟道后，若此时uDS0，将形成，将形成iD（DS）；）；若若uDS一定，当一定，当uGS越大，感应电荷越多，导电沟越大，感应电荷越多，导电沟道越厚（宽），道越厚（宽），iD越大，反之，越大，反之，uGS越小，越小，iD越小。越小。实现了实现了uGS对对iD的控制作用。的控制作用。)(TGSUu全夹断状态全夹断状态)(TGSDSUuu未夹断状态未夹断状态 )(TGSDSUuu预夹断状态预夹断状态 )(TGSDSUuu部分夹断状态部分夹断状态当当uGSUT 即导电沟道形成后，增强型即导电沟道形成后，增强型MOSFET的的uGS、uDS对对iD及导电沟道的影响与及导电沟道的影响与JFET十分类似，十分类似，即：即：uGS变化变化整个沟道宽度变化；整个沟道宽度变化； uDS变化变化沟道成为非均匀沟道。沟道成为非均匀沟道。故管子对应的状态也分：故管子对应的状态也分：3、特性曲线、特性曲线输出特性曲线输出特性曲线2222)()() 1(TGSTGSTDOTGSDODUukUuUIUuIiIDO：uGS=2UT 时的时的ID值。值。转移特性曲线转移特性曲线 iD、uGS的数学表达式的数学表达式（放大区内）：（放大区内）： 4、N沟道增强型沟道增强型MOS管工作于放大区的偏置条件管工作于放大区的偏置条件 uGSUT（0）；）； uDSuGS-UT （1）结构：衬底为）结构：衬底为N型，型，S、D区为区为P+；（2）工作在放大区偏置电压条件）工作在放大区偏置电压条件 uGSUT（0）；）； uDSuGS-UT ；（3）iD方向：流出漏极；方向：流出漏极；（4）转移特性曲线：三象限；）转移特性曲线：三象限；（5）输出特性曲线：三象限且参变量）输出特性曲线：三象限且参变量uGS为负值。为负值。5、P沟道增强型沟道增强型MOS管归纳、对比管归纳、对比 二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1、结构和工作原理、结构和工作原理 管子存在原始导电沟道，只要管子存在原始导电沟道，只要UDS0，就有，就有iD；加入加入uGS可改变原电场强度：可改变原电场强度：当当uGS0时，加强原电场，沟道加宽，时，加强原电场，沟道加宽，iD，当当uGS0时，削弱原电场，沟道变窄，时，削弱原电场，沟道变窄，iD，当当uGS达到某一负电压达到某一负电压UP时，外电场抵消原始自建电场，时，外电场抵消原始自建电场，沟道消失，沟道消失，iD=0 。故耗尽型故耗尽型MOS管的管的uGS可在一定范围内（正负）控制可在一定范围内（正负）控制iD。UP：称为耗尽型管的夹断电压，：称为耗尽型管的夹断电压， 其值为反型层其值为反型层(原始沟道原始沟道)刚刚消失时对应的刚刚消失时对应的uGS。2、特性曲线、特性曲线转移特性曲线转移特性曲线耗尽型耗尽型MOS管除管除uGS取值与增强型管不同外，其余工作取值与增强型管不同外，其余工作原理与之相同。原理与之相同。2)1 (PGSDSSDUuIiiD、uGS间的数学关系与结型管相同间的数学关系与结型管相同即：即：输出特性曲线输出特性曲线参变量参变量uGS可正、可正、 可负、可负、 可为零。可为零。 3、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管放大偏置条件管放大偏置条件 uGSUP（UP0）；）； uDSuGS-UP4、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管归纳、对比管归纳、对比 iD方向：流出漏极；方向：流出漏极； 放大偏置条件：放大偏置条件：uGSUP（UP0） ； uDSuGS-UP三、六种类型场效应管转移特性归纳三、六种类型场效应管转移特性归纳 N沟道管沟道管 P沟道管沟道管 练习练习1 由各转移特性曲线判断管子类型，标出相应的参由各转移特性曲线判断管子类型，标出相应的参数。数。练习练习3 已知已知N-JFET的的IDSS=2mA，UP=-4V，定性画出转移特性，定性画出转移特性曲线和输出特性曲线。曲线和输出特性曲线。4-3 FET偏置电路偏置电路 FET偏置电路种类有：偏置电路种类有： 自给偏压电路和混合偏压电路等。自给偏压电路和混合偏压电路等。 一、自给偏压电路一、自给偏压电路 由于自给偏压电路提供的由于自给偏压电路提供的UGS0，该偏置电路适该偏置电路适用于用于N沟道结型、耗尽型，沟道结型、耗尽型，而不适于增强型管。而不适于增强型管。直流通路直流通路由输入回路得由输入回路得 UGS=-IDRS （1） 静态工作点计算（求解静态工作点计算（求解UGSQ、IDQ、UDSQ）：）： 首先画出电路的直流通路首先画出电路的直流通路 )2()1 (2PGSDSSDUuIi由由iDUGS关系式得关系式得联立求解联立求解(1)(2)即得一组即得一组合理的合理的UGS、ID 。再由输出回路列再由输出回路列KVL有：有：UDS=UDD-ID(RD+RS)求出求出UDS值。值。例例4-3 UGS=UG-US=UG-IDRS该偏置电路适用于所有类型的该偏置电路适用于所有类型的FET，应用最为广泛。，应用最为广泛。二、混合偏压电路二、混合偏压电路 直流通路如下：直流通路如下： 静态工作点的计算：静态工作点的计算： 由电路输入回路写出由电路输入回路写出UGSID外特性关系，由管类型写外特性关系，由管类型写出出iDuGS平方律关系，联立求解得平方律关系，联立求解得UGS、ID；再由输；再由输出回路出回路KVL求出求出UDS。例例4-5练习：试分析下列电路能否正常放大，并说明理由。练习：试分析下列电路能否正常放大，并说明理由。 4-4 FET的交流参数和小信号模型的交流参数和小信号模型 1、交流参数、交流参数（1）低频跨导）低频跨导gm（gfs）定义）定义 单位：西门子（单位：西门子（S） 该参数反映了在工作点该参数反映了在工作点Q处处 uGS对对iD的控制能力。的控制能力。 对结型和耗尽型管，将对结型和耗尽型管，将 带入带入gm定义式并整理后可得定义式并整理后可得对增强型管将对增强型管将 带入带入gm定义式并整理可得定义式并整理可得 QGSDmdudig2)1 (PGSDSSDUuIiDSSDPmIIUg22) 1(TGSDODUUIiDDOTmIIUg2 （2）漏极内阻（管子输出电阻）漏极内阻（管子输出电阻） QDDSdsdidur （3）极间电容）极间电容 Cgs、Cgd、Cds。 SGDdsdsgsmddsDSgsGSdDQDSDdsQGSDmDSQDSDGSQGSDDurugiuduuduididudirdudigdududidududidi1,1,(管子输出端关系管子输出端关系)2、FET的小信号模型的小信号模型 导出：导出：iD=f（uGS，uDS）在）在Q点对点对iD全微分有全微分有又又ig=0 (管子输入端关系管子输入端关系)由两数学表达式：由两数学表达式：dsdsgsmdurugi1及及 ig=0简化模型简化模型分析方法与分析方法与BJT放大电路相同，仍为三个步骤：放大电路相同，仍为三个步骤： （1）画出放大电路的交流通路，）画出放大电路的交流通路， （2）用）用FET低频小信号模型取代交流通路中的低频小信号模型取代交流通路中的FET 得其小信号等效电路，得其小信号等效电路， （3）由各交流指标定义式，利用线性电路的分析方）由各交流指标定义式，利用线性电路的分析方 法求解。法求解。4-5 FET基本放大电路基本放大电路 一、共源放大电路一、共源放大电路 例例4-5 求求Ro的电路如下：的电路如下：DdsRUttoRriuRLs/, 01. 由于由于FET的跨导的跨导gm比较小，故比较小，故CS放大器的放大器的Au一般一般 比比CE放大器的放大器的Au小；小；2. 由于由于FET是平方伏安关系器件，是平方伏安关系器件，BJT是指数伏安关是指数伏安关 系器件，故系器件，故FET的小信号范围的小信号范围BJT的小信号范围。的小信号范围。说明：说明： 例例4-6 设上题电路中设上题电路中CS 开路，求开路，求Au ,Ri ,Ro表达式。表达式。交流通路交流通路由各交流指标定义得：由各交流指标定义得：SdgsLDdiouRIURRIUUA)/(SmLDmsmdsLDSLDmugsmLDSdsdsdRgRRgRgrRRRRRgAugRRRrrI1)/(/1)/()/(213/ RRRIURiiiSdgsLDdiouRIURRIUUA)/(在小信号电路中令电压源在小信号电路中令电压源Us短路并断开负载短路并断开负载RL，外加，外加电压电压U，得求输出电阻，得求输出电阻Ro的电路。的电路。SSmdsSdsSmdsoSgssdsgsmooDURoRRgrRrRgrRRIUIRIrugIIURRRIURSL)1 ()(/0,当当rds很大时，很大时，Ro=RD二、共漏放大器（源极输出器）二、共漏放大器（源极输出器）213/1)/(1)/()/()/(RRRIURRRrgRRrgRRrUgURRrUgUUUUUAiiiLSdsmLSdsmLSdsgsmgsLSdsgsmsdgssdiou利用求利用求Ro电路电路 Ro=RS/rds/RmdsSmommgsgsmmrRgRgUgUUUUgUR/11)( 例例4-8 求求CD-CE放大电路放大电路Au表达式。表达式。)/(1)/()/()/(23232323111121idsmidsmidsgsmgsidsgsmogsoiouuuiouRrRgRrRgRrRUgURrRUgUUUUUAAAUUACoGidbeLCbdbebLCbiouRRRRRRrrRRRIrrIRRRIUUA/22/)1 ()/2/()1 ()/2/(222222 例例1（题（题4-15）CD-CB组合放大电路如图，求组合放大电路如图，求Au。 小信号等效电路为：小信号等效电路为：)/(1)/()/()/(2222111121idsEmidsEmidsEgsmgsidsEgsmogsoiouuuuRrRgRrRgRrRUgURrRUgUUUUUAAAA解：解：GiubeCbebCbioubebbebeiiRRArRrIRIUUArIrIIUR01)1 (2222mbeEbedsbemCbemEbedsbembCbubebgsiEbedsbembgsEbedsbebbbEbebdsbebbbRrgsmbebgsCbiougrRrrrgRrgRrrrgIRIArIUURrrrgIURrrrIIIRrIrrIIIIIUgrIURIUUA111另解另解 例例2（题（题4-16）解）解（1）由电路）由电路 UDS=UGS （IG=0） UDD=IDRD+UDS 20=1RD+UDS-（1） 将将k=0.25mA/V2 iD=ID=1mA , UT=2V , UGS=UDS带入带入iD=k(UGS-UT)2 式中得：式中得：1=0.25(UDS-2)2解出解出UDS=4V 带入（带入（1）式求出）式求出RD=16k （2）UGS=UDS=4V0 ，此偏置电路不能用于结型管，可用于耗尽型管。此偏置电路不能用于结型管，可用于耗尽型管。交流通路为：交流通路为：例例3（题（题4-17）解：解：（1）gsmbSgsmbSgsmgsSgsmbiouUgIRUgIRUgURUgIUUA212)()(21221211) 1(1 )1(SmSmSmuSmSmgsSgsmuRgRgRgARgRgURUgA（2）1212121111111SmSmSmGSmSmSmGuGiuiiGoiiGGoiiRGiiRgRgRgRRgRgRgRARUAUURUUURRUUUIUR
展开阅读全文