第四章场效应管及其放大电路课件.ppt

1、 第四章 场效应管放大电路 F Field ield E Effect ffect T Transistor (ransistor (FETFET)4.1 4.1 结型场效应三极管结型场效应三极管(JFET)JFET)(1)(1)结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构 JFET的结构如图所示，它是在的结构如图所示，它是在N型半导体硅片型半导体硅片的两侧各制造一个的两侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道的结构。一个型沟道的结构。一个P区即为区即为栅极栅极，N型硅的一端是型硅的一端是漏极漏极，另一端是，另一端是源极源极。(动画2-8）(2)(2)结型场效应

2、三极管的工作原理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栅源电压对沟道的控制作用 当当VGS=0时，若漏、源之间加有一定电压，在漏、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。源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当当VGS0时，时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，沟道将变窄，ID将减小，将减小，VGS继续减小，沟道继续变继续减小，沟道继续变窄，窄，ID继续减小直至为继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应。当漏极电流为零时所对应的栅源电压的栅源电压VGS称为夹断电压称为夹断电压VP P。这一过程动画这一

3、过程动画所示。所示。（动画2-9）漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用 当当V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD=V VGSGS-V VDSDS=V=VP P时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。当极处出现预夹断。当V VDSDS继续增加，漏极处的夹断继续继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向延长。向源极方向延长。在栅极加上电压，且在栅极加上电压，且V VGSGSV VP P，若漏源电压若漏源电压V VDSDS从零开始增加，则从零开始增加，则V VGDGD=V VGSGS-V VDSDS将随之减小。使靠近漏将随之减小。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。

4、极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。(3)(3)结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线 JFETJFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。二是输出特性曲线。(a)a)漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 (b)b)转移特性曲线转移特性曲线N N沟道结型场效应三极管的特性曲线沟道结型场效应三极管的特性曲线动画（2-6）动画（2-7）N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET 的结构示意图和符号如图的结构示意图和符号如图 。其中：。其中：D(Drain)D(Drain)为漏极为漏极,相当于相当于c c；G(Gat

5、e)G(Gate)为栅极，相当于为栅极，相当于b b；S(Source)S(Source)为源极为源极,相当于相当于e e。N N沟道增强型沟道增强型 MOSFETMOSFET结构示意图结构示意图（动画2-3）4.3 4.3 金属金属 氧化物氧化物 半导体场效应管半导体场效应管M Metal etal O Oxide xide S Semiconductor FETemiconductor FET (MOSFETMOSFET)。又称绝缘栅型场效应三极管又称绝缘栅型场效应三极管分为分为 增强型增强型 N N沟道、沟道、P P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N N沟道、沟道、P P沟道沟道一个是一个是漏极

6、漏极D D，一个是一个是源极源极S S。在源极和漏极之间的在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为绝缘层上镀一层金属铝作为栅极栅极G G。P P型半导体称为型半导体称为衬底衬底，用符号，用符号B B表示。表示。(1)(1)N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET 结构结构 N N沟道增强沟道增强型型MOSFETMOSFET基本上是一种左右对称的结构，它是在基本上是一种左右对称的结构，它是在P P型型半导体上生成一层半导体上生成一层SiOSiO2 2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N N型区，从型区，从N N型区引出电极，型区引出

7、电极，当栅极加有电压时，若当栅极加有电压时，若0 0V VGSGSV VT T 时，通过栅极和时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的下方的P P型半导体中的空穴向下型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的方排斥，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成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流I ID D。工作原理工作原理 1 1栅源电压栅源电压V VGSGS的控制作用的控制作用 当当V VGSGS=0V

8、=0V时时，漏源之间相当两个背靠背的，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，二极管，在在D D、S S之间加上电压不会在之间加上电压不会在D D、S S间形成电流。间形成电流。V VGSGS对漏极电流的控制关系可用对漏极电流的控制关系可用 I ID D=f f(V VGSGS)V VDSDS=const=const 这一曲线描述，称为这一曲线描述，称为转移特性曲线转移特性曲线。进一步增加进一步增加V VGSGS，当当V VGSGS V VT T 时（时（V VT T 称为开启电压称为开启电压)，由于此，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的栅极下方的P P型半

9、导体表层中聚集较型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流压，就可以形成漏极电流I ID D。在栅在栅极下方形成的导电沟道中的电子，极下方形成的导电沟道中的电子，因与因与P P型半导体的载流子空穴极性型半导体的载流子空穴极性相反，故称为相反，故称为反型层反型层。(动画2-4）随着随着V VGSGS的继续增加，的继续增加，I ID D将不断增加。在将不断增加。在V VGSGS=0V=0V时时I ID D=0=0，只只有当有当V VGSGS V VT T 后才会出现漏极电流，这种

10、后才会出现漏极电流，这种MOSMOS管称为管称为增强型增强型MOSMOS管管。V VGSGS对漏极电流的控制特性对漏极电流的控制特性转移特性曲线转移特性曲线 转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率g gm m的大小反映了栅源电压的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。对漏极电流的控制作用。g gm m 的量纲为的量纲为mA/VmA/V，所以所以g gm m也称为也称为跨导跨导。跨导的定义式如下。跨导的定义式如下 g gm m=I ID D/V VGSGS V VDSDS=const=const (单位单位mS)mS)ID=f(VGS)VDS=const 2 2漏源电压漏源电压V VDSDS对漏

11、极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用 当当V VGSGS V VT T，且固定为某一值时，来分析漏源电且固定为某一值时，来分析漏源电压压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的影响。的影响。V VDSDS的不同变化对沟道的影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响如图所示。根据此图可以有如下关系 V VDSDS=V VDGDGV VGSGS =V VGDGDV VGSGSV VGDGD=V VGSGSV VDSDS 当当V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时，相当相当V VGSGS V VT T，沟道分布沟道分布如图如图，此时此时V VDSDS 基本均匀

12、基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜降落在沟道中，沟道呈斜线分布。线分布。漏源电压漏源电压V VDSDS对沟道的影响对沟道的影响(动画2-5)当当V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时，相当相当V VGSGS V VT T ，沟道分布沟道分布如图，此时如图，此时V VDSDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。布。当当V VDSDS增加到使增加到使V VGSGS=V VT T 时，沟道如图所示。这相时，沟道如图所示。这相当于当于V VDSDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为情况，称为预夹断预夹断。当当V VDSDS增

13、加到增加到V VGSGS V VT T 时，沟道如图所示。此时预时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，伸向夹断区域加长，伸向S S极。极。V VDSDS增加的部分基本增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，降落在随之加长的夹断沟道上，I ID D基本趋于不变基本趋于不变。当当V VGSGS V VT T，且固定为某一值时，且固定为某一值时，V VDSDS对对I ID D的影响，的影响，即即I ID D=f f(V VDSDS)V VGSGS=const=const这一关系曲线如图所示。这一曲线称这一关系曲线如图所示。这一曲线称为为漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线。漏极输出特性曲线漏极输出特性

14、曲线ID=f(VDS)VGS=const(2)(2)N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET 当当V VGSGS0 0时，将使时，将使I ID D进一步增加。进一步增加。V VGSGS0 0时，时，随着随着V VGSGS的减小漏极电流逐渐减小，直至的减小漏极电流逐渐减小，直至I ID D=0=0。对对应应I ID D=0=0的的V VGSGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号V VGS(off)GS(off)表示，表示，有时也用有时也用V VP P表示。表示。N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的转移特的转移特性曲线如图所示。性曲线如图所示。N N沟道耗尽型沟道耗

15、尽型MOSFETMOSFET的结构和符号如图的结构和符号如图所示，它是在栅极下方的所示，它是在栅极下方的SiOSiO2 2绝缘层中掺入了大量绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当的金属正离子。所以当V VGSGS=0=0时，这些正离子已经时，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。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。(a)a)结构示意图结构示意图 (b)b)转移特性曲线转移特性曲线 N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的结构的结构 和转移特性曲线和转移特性曲线 (3)(3)P P沟道耗尽型沟

16、道耗尽型MOSFETMOSFET P P沟道沟道MOSFETMOSFET的工作原理与的工作原理与N N沟道沟道MOSFETMOSFET完全相同，只不过导电的载流完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有同双极型三极管有NPNNPN型和型和PNPPNP型一样。型一样。伏安特性曲线伏安特性曲线 场效应三极管的特性曲线类型比较多，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，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

17、也有所不同。如果按统一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。规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将为了便于绘制，将P P沟道管子的正方向反过沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图中来设定。有关曲线绘于图中。各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N N沟沟道道增增强强型型P P沟沟道道增增强强型型绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P 沟沟道道耗耗尽尽型型结结型型场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P沟沟道道耗耗尽尽型型场效应三极管的参数和型号场效应三极管的

18、参数和型号(1)(1)场效应三极管的参数场效应三极管的参数 开启电压开启电压V VGS(th)GS(th)(或或V VT T)开启电压是开启电压是MOSMOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。夹断电压夹断电压V VGS(off)GS(off)(或或V VP P)夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FETFET的参数，当的参数，当V VGSGS=V VGS(off)GS(off)时时,漏极电流为零。漏极电流为零。饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管,当当V VGSG

19、S=0=0时所对应的时所对应的漏极电流。漏极电流。输入电阻输入电阻R RGSGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效对于结型场效应三极管，反偏时应三极管，反偏时R RGSGS约大于约大于10107 7，对于绝缘栅型场效应三对于绝缘栅型场效应三极管极管,R RGSGS约是约是10109 910101515。低频跨导低频跨导g gm m 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用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。这一点与电子管的控制作用相似。g gm m可以在转可以在转 移特移特性曲线上求取，单位是性曲线上求取，单位

20、是mS(mS(毫西门子毫西门子)。最大漏极功耗最大漏极功耗P PDMDM 最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由P PDMDM=V VDSDS I ID D决定，与双极型决定，与双极型三极管的三极管的P PCMCM相当。相当。(2)(2)场效应三极管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母一是与双极型三极管相同，第三位字母J J代表结型场代表结型场效应管，效应管，O O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，材料，D D是是P P型硅，反型层是型硅，反型层是N N沟道

21、；沟道；C C是是N N型硅型硅P P沟沟道。例如道。例如,3,3DJ6DDJ6D是结型是结型N N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3 3DO6CDO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。第二种命名方法是第二种命名方法是CSCS#，CSCS代表场效应管，代表场效应管，以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号用字母代表同一型号中的不同规格。例如中的不同规格。例如CS14ACS14A、CS45GCS45G等。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 参 数型号PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS

22、 V VP V gmmA/V fM MHz3DJ2D 100 20 20-4 2 3003DJ7E 100 20 20-4 3 903DJ15H 100 611 20 20-5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25-4 2 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管结构结构 NPNNPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道 PNPPNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N N沟道沟道 P P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道

23、沟道 C C与与E E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 D D与与S S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制 电流控制电流源电流控制电流源CCCS(CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(VCCS(g gm m)双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响

24、 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成4.4 4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路 共源组态基本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相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即流源，即VCCSVCCS。共源组态的基本放大电路如共源组态的基本放大电路如图所示。图所示。(a)采用结型场效应管(b)采用绝缘栅场效

25、应管共源组态接法基本放大电路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，就是一个解电路要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了的问题了。(1)(1)直流分析直流分析 将共源基本放大电路的直流通道画出将共源基本放大电路的直流通道画出,如图如图所示所示。共源基本放大 电路的直流通道 图中图中R Rg1g1、R Rg2g2是栅极偏置是栅极偏置电阻，电阻，R Rs s是源极电阻，是源极电阻，R Rd d是是漏极负载电阻。与共射基本漏极负载电阻。与共射基本放

26、大电路的放大电路的R Rb1b1、R Rb2b2，R Re e和和R Rc c分别一一对应。而且只要结分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间型场效应管栅源间PNPN结是反结是反偏工作，无栅流，那么偏工作，无栅流，那么JFETJFET和和MOSFETMOSFET的直流通道和交流的直流通道和交流通道是一样的。通道是一样的。可写出下列方程可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VP)2 VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)于是可以解出于是可以解出VGSQ、IDQ和和VDSQ。微变等效电路(2)(2)交流分析交流分析 画出微

27、变等效电路，如图所示。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，相当开与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。路。VCCSVCCS的电流源的电流源 还并联了一个输出电阻还并联了一个输出电阻r rdsds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为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大电路情况一样。gsmVg电压放大倍数电压放大倍数 如果有信号源内阻RS时 =gmRLRi/(Ri+RS)式中Ri是放大电路的输入电阻。LddsLLmgsLddsgsmL

28、ddsgsmo/)/()/(RRrRRgVRRrVgARRrVgVv输出电阻输出电阻 为计算放大电路的输出电阻，可按双口为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成下图的形式。网络计算原则将放大电路画成下图的形式。将负载电阻将负载电阻R RL L开路，并想象在输出端加开路，并想象在输出端加一个电源一个电源 ,将输入电压信号源短路，但保将输入电压信号源短路，但保留内阻。然后计算留内阻。然后计算 ，于是，于是 ddsooo/=RrIVR交流参数归纳如下交流参数归纳如下电压放大倍数电压放大倍数LmioRgVVAvddsdooo/RrRIVR输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻 Ri=Rg

29、1/Rg2 或 Ri=Rg+(Rg1/Rg2)共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路 共漏组态放大电路共漏组态放大电路 直流通道直流通道其直流工作状态和动态分析如下。其直流工作状态和动态分析如下。(1)直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VP)2 VDSQ=VDDIDQR由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。LmLmLdsgsmgsLdsgsmio1)/()/(RgRgRRrVgVRRrVgVVAv(2)交流分析 将将CDCD放大电路的微变等效电路画出，如放大电路

30、的微变等效电路画出，如图所示。图所示。共漏放大电路的微变等效电路共漏放大电路的微变等效电路电压放大倍数电压放大倍数。式中LLdsL/RRRRrR vA为正，表示输入与输出同相，当 gmRL1 时，vA1。输入电阻输入电阻)/(g2g1giRRRR 输出电阻输出电阻 计算输出电阻的原则与其它组态相同，计算输出电阻的原则与其它组态相同，改画为下图。改画为下图。求输出电阻的微变等效电路mmmdsdsmdsooogsomdsogsmdsoo1/1)/(1/)/1/(/,)/1/(/)/(gRRgRgrRrRgrRIVRVVgrRVVgrRVI交流参数归纳如下电压放大倍数LmLmio1RgRgVVAvmmdsooo1/)/1/(/gRgrRIVR输出电阻输入电阻Ri=Rg+(Rg1/Rg2)第四章结束第四章结束