1、第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道沟道器件和空穴作为载流子的P沟道沟道器件。场效应管：结型N沟道P沟道 MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型4.1 绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transister)绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏
2、极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。1.结构和符号（以（以N沟道增强型为例）沟道增强型为例）N沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2 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型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain):漏极，相当漏极，相当c G(Gate):栅极，相当栅极，相当b S(Source):源极，相当源极，相当eB(Substrate)
3、:衬底衬底结构动画结构动画2.工作原理（以N沟道增强型为例）(a)VGS=0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，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0VGS必须大于必须大于0管子才能工作。管子才能工作。（1）栅源电压）栅源电压VGS的控制作用的控制作用（1）栅源电压VGS的控制作用 （b）当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)（VT 称为开启电压)时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不
4、可能以形成漏极电流ID。0VGSVT，ID=0（1）栅源电压VGS的控制作用(c)进一步增加VGS，当VGSVT时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时VDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加VGS 0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS 反型层变厚反型层变厚 VDS ID 栅源电压栅源电压VGS的的控制作用动画控制作用动画（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（a）如果VGSVT且固定为某一
5、值，VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDSVDS为0或较小时，VGD=VGSVDS VT，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。VDS ID （2 2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（b）当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDS ID 不变不变（c）当VDS增加到VGDVT时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长
6、，向S极延伸。VDS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漏源电压VDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画 ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线 iD vGS/VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线 vDS/V iD3.特性曲线（以N沟道增强型为例）值时的是在恒流区，DTGSDTGSDDivIVvIiV2)1-(020转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。gm 的量纲为mA/V，称为跨导。gm=ID/VGS VDS=const 输出特性曲线 vDS/V iD(1)(1)截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS|
7、VP|时的漏 极电流。（耗尽）(4)极间电容：漏源电容CDS约为 0.11pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为13pF。场效应管的主要参数(5)低频跨导 gm：表示vGS对iD的控制作用。DSGSDmVvdidg =在转移特性曲线上，gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。(6)最大漏极电流 IDM(8)漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS (7)最大漏极耗散功率 PDM 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
8、，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C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几种常用的场效应三极管的主要参数见表 参 数 型号 PDM mW IDSS mA VRDS V VRGS V VP V gm mA/V fM MHz 3DJ2D 100 20 20 -4 2 300 3DJ7E 100 20 20 -4 3 90 3DJ15H 100 611 20 20 -5.5 8 3
9、DO2E 100 0.351.2 12 25 1000 CS11C 100 0.31 -25 -4 2 4.2 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister)1.N沟道结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。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。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。N沟道结型场效应管的结构动画2.工作原理ID（1）VGS对导电沟道的影响：VP(VGS(
10、OFF)：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS107，所以IG=0(a)VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。N沟道结型场效应管工作原理：工作原理(c)|VGS|=VP ，导电沟道被全夹断(b)0 VGS 0 但|VGS-VDS|VP|时的漏极电流2)-1(PGSDSSDVvIi 当|vGS -vDS|vP|后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。实验证明，当|vGS -vDS|VP|时，iD可近似表示为：场效应管总结双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双
11、极型三极管场效应三极管场效应三极管结构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与可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)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4.3 场效应管应用场效应管应用例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0|VT|VT，截止 Tn:VGSn=VddVT，导通Vo=0Vi=0时：Tp:VGSp=
12、-VddVT，导通Tn:VGSn=0VT，截止Vo=+VddTnsViTpsVoViVo+VddTpTn场效应管应用例2：压控电阻场效应管工作在可变电阻区时，iD随vDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受vGS控制的电阻。vivo4.4 场效应管放大电路场效应管的小信号模型共源极放大电路共漏极放大电路共栅组态基本放大电路4.4.1 场效应管的小信号模型DSdsGSmDdvrdvgdi1),(=DSGSDvvfi已知场效应管输出特性表达式：DSVDSDGSVGSDDdvvidvvidiGSDS求全微分:dsVDSDrviGS1漏极与源极间等效电阻dsdsgsmVrVg
13、Id1变化量mVGSDgviDS其中：低频跨导,可从输出曲线上求出场效应管的小信号模型一般rds很大，可忽略，得简化小信号模型:4.4.2 共源极放大电路以NMOS增强型场效应管为例三极管共射极(b)共集电极(c)共基极(b)场效应管 共源极(s)共漏极(d)共栅极(g)三极管与场效应管三种组态对照表：电路组成 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。图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc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
14、作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。直流分析（估算法）直流通路 直流分析(估算法）：VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VGVS=VGIDR ID=IDSS1(VGS/VP)2 VDS=VDDID(Rd+R)解出VGS、ID和VDS。交流分析微变等效电路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIRRiiig1g2/.doo=RIVRoisivsRRRRgALm4.4.3 共漏极放大电路 直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VGVS=VGIDRID=IDSS1(VGS/VP)2VDS=VDDIDR由此可以解出VGS、I
15、D和VDS。与三极管共集电极电路对应直流通路：交流分析)/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sosivvsiivsRRAARRRVVA输出电阻RgRgRIVRVVgRVVgRVImmooogsomogsmoo11/1/4.4.4 共栅极放大电路RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVRLmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv例题例题1 共源共源已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：静态分析：VGS=-RIDID=IDSS1(VGS/VP)2代入参数得：
16、3ID2-7ID+3=0IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V+vi-C10.01uQRg10MR2KRd15KRL18KC20.1uC310uVDD18V+vo-例题例题1解解动态分析：Ri=Rg=10MRo=Rd=15KLdLLgsmogsmgsiRRRRVgVRVgVV/53.11)/(mLmgsmgsLgsmioRgRgRVgVRRVgVVAv例题例题2 多级放大电路多级放大电路已知：VBE=0.6V,=120,gm=3mA/V,VP=-2V,IDSS=4mA+vi-Q1Q2Q3Rg10MRs2kR
17、d15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-解：静态分析：VGS=-RsIDID=IDSS1(VGS/VP)2代入参数得：4ID2-9ID+4=0ID=0.61mA ID=1.64mA（舍去）VGS=-1.22V VDVCC-IDRd=5.85V（忽略IB2）IE2=(VDVBE2)/(Re1+Re2)=0.26mAVC2VCC-IE2RC2=11.88V（忽略IB3）IE3=(VC2VBE3)/Re3=3.13mA VCE2VCC-IE3Re2=3.72Vrbe2=12.9krbe3=1.2k例题例题2解解动态分析：Ri=Rg=10MRi2=rbe2+(1+)Re1 =37.1kRi3=rbe3+(1+)Re3/RL =156k+vi-Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-6.41/m2dm1RgRRgAiv36)1(/123C22ebeivRrRRA1)1()1(32LbeLvRrRA165321vvvvAAAA作业n4.4.4n4.4.5n4.5.4
