1、第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路31 结型场效应管结型场效应管 32 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)33 场效应管的参数和小信号模型场效应管的参数和小信号模型34 场效应管放大器场效应管放大器第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路31结型场效应管结型场效应管 311结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图31给出了JFET的结构示意图及其表示符号。第第
2、3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路(b)DSGP型沟道NNDGS(a)DSGN型沟道PPDGS 图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号 (a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P+型区，形成两个PN结，将两个P+区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子自由电子产生的漂移电流。我们将电子发
3、源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 如图32所示，如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小
4、，电阻变大，在同样的UGS下，ID变小；反之，|UGS|变小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0NDGS(a)PPUDSIDIDSS(最大)第第
5、3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0DS(b)PPUDSID减小UGS第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0DS(c)PPUDSUGSID0第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 312结型场效应管的特性曲线结型
6、场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线一、转移特性曲线 转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即CuGSDDSufi)(31)理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即2)1(GSoffGSDSSDUuIi(32)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。转移特性曲线如图33(a)所示。为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负
7、值。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VUDSUGSUGSoff515流区击穿区UGS0V(b)UGSoff0.5V第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二、输出特性曲线二、输出特性曲线 输出特性曲线表达以UGS为参
8、变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS|UGSoff|(33)时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 2.可变电阻区可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当
9、于开关打开。4.击穿区击穿区 随着uD S增大，靠近漏区的 P N 结 反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路32 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构 如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路(a)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图
10、35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图 SGDNNP型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线B(b)半导体第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 322N沟道增强型沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理 如图36所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路B(a)NUGSUDSNPN结(耗尽层)P型衬底图36N沟道增强型MOS场
11、效应管的沟道形成及符号第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号B(b)NUDS导电沟道P型衬底UGSNDGS(c)B第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二、转移特性二、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD 0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui(34)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路uGSUGSthiD0平方律曲线 图 3-7 N 沟道增强型MOSFET的转
12、移特性第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度(见图35(a)；W/LMOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 三、输出特性三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路iD0uDSU
13、GS6V截止区4V3V2V5V可变电阻区(a)恒流区区穿击 图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压 uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 (2)恒流区：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为GSthGSDSUUU(35)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹
14、断(如图39所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路BUDS预夹断P型衬底UGSNN 图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数 来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，越小。11AU(36)第第3章章
15、 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为22)(2)1()(2GSthGSoxnDDSGSthGSoxnDUuLWCuiuUuLWCui但由于0，就有漏极电流。如果uGS 0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS uGSth时，导电沟道才形成，iD0。3.输入电阻输入电阻RGS 对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二、极限参数二、极限参数 场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。
16、场效应管的极限参数如下：(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路三、交流参数三、交流参数1跨导跨导gm跨导gm的定义为)/(VmdudigCuGSDmDS(313)gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmGSoffGSDSSDIIUIUu
17、UIdudigUuIi2)1()1(2(314)那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。而对增强型MOSFET，其电流方程为2)(2GSthgsoxnDUuLWCui第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路那么，对应工作点Q的gm为DQoxnmILWCug2(315)式(315)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。2.输出电阻输出电阻r ds 输出电阻rds定义为DQAdsuDDSdsIUrdidurGSQ(316)(317)恒流区的rds可以用下式计算：第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 332
18、 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 因为DSdsGSmDSDSDGSGSDDDSGSDdurdugduuiduuidiuufi1),(所以(318)(319)以正弦复数值表示，上式可改写为gsmddsdsgsmmdUgIUrUggI1通常rds较大，对Id的影响可以忽略，则dsU第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路rds(
19、a)gmUgs.Uds.Id.DS(b)gmUgs.Uo.Id.DS 图313 场效应管低频小信号简化模型第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路34 场效应管放大器场效应管放大器 341场效应管偏置电路场效应管偏置电路 与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。第第3章章 场效应管及其基本电路场
20、效应管及其基本电路 图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 一、图解法一、图解法 画出N沟道场效应管的转移特性如图315所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为SDGSRiu(322)在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图315
21、图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 iDuGS0(a)Q1Q2iDuGS0(b)Q1Q2Q2Q3Q3RS1RS1RG1 RG2RG2UDD第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为SDDDGGGGSRiURRRu212(323)画出该负载线如图315(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特别注意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线所示。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二、解析法二、解析法 已知电流方式及栅源直流负载线
22、方程，联立求解即可求得工作点。例如：SDGSGSoffGSDSSDRiuUUIi2)1(324a)(324b)将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 342场效应管放大器分析场效应管放大器分析 与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。一、共源放大器一、共源放大器 共源放大器电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316(b)所示。由图(b)可知，放大器输出交流电压 为oU)(LDdsgsmoRRrUgU(325)第第3章章
23、 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路UiC2C1RDRG1RSUDD20VRG2150k50k2k10kRL1M(a)Uo.RG31M.C3图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为igsUU)(DdsDmiouRrRgUUA (32
24、6)若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：MRRRRkRrRRGGGiDdsDo0375.110213输入电阻：(327)(328)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路1075k5k1M40k1k50k10inf5101008 mV/60Hz/0 Deg12V图317基于Workbench平台的FET放大电路的 计算机仿真第第3章章 场效应管及其基本电路场效
25、应管及其基本电路 由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为125024.03uA第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 例例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1M(a)gm2mA/V 图318带
26、电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路gmUgs.DSUo.RS1RDRLrds(b)(c)Uo.RL1 gmRS1gmUi.第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路解解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：iSmmdSdimGSmdLDdoURggIRIUgUgIRRIU111)()(式中：故(329)(330)(331)将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为3.8)(11LmLDSmm
27、iouRgRRRggUUA(332)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二、共漏放大器二、共漏放大器 共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电路的主要参数如下。1.放大倍数放大倍数Au iLmmdLdimLSdimgsmdiLSdiouURggIRIUgRRIUgUgIURRIUUA1)()(式中：故 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10k(a)Uo.RG31MUi.gm2mA/V图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路第第3章章 场效应管及其基本电路
28、场效应管及其基本电路图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路Uo.RLRSSDId.(b)gmUgs.gmUi Id(RSRL).第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路所以3333106.11021106.11021LmLmuRgRgA(333)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 2.输出电阻输出电阻Ro 计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将RL开路，短路，在输出端加信号 ，求出 ，则 iUoUoIoooIUR第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路C1RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.图320计算共漏电路输出电
29、阻Ro的等效电路 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 RS(b)IS.Io.gmUgs.gm(Uo).Uo.RoISR第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路mSomSoooooomomgsmSSoRoRogRUgRUUIURUgUgUgIRUIIIISS1111)(由图可见 式中：所以，输出电阻为 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路MRRRRRgRRGGGGimSo0375.14001021102121333故 输入电阻(334)共栅电路与共基电路相似，留给读者自行分析。第第3章章 场效应管及其基本电路
30、场效应管及其基本电路 343若干问题的讨论若干问题的讨论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多 我们知道，晶体管的电流iC与发射结电压uBE成指数关系，而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。显然，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路DSSDQGSoffDSSmDQoxnnQGSDmGSthGSoxnDTCQeQBECmUuSCIIUIgILWCuududigUuLWCuiUIrdudigeIiTBE22)(21)1(2晶体管：场效应管：结型场效应管：第第3章章
31、场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 二、关于温度稳定性二、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工作，温度稳定性会更好。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路iDuGS0103080103080零温度系数点图321 场效应管的零温度系数点 第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 三、关于体效应和背栅跨导三、关于体效应和背栅跨导 前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子。为保证正常工作，一般衬底要接到全电路的最低
32、电位点，因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必须为负。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路 在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：CDSUCGSUBSDmbUig(340)通常用跨导比来表示gmb的大小：1mmbgg(341)第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。gmUgs.Uo.rdsgmbUBS 图322 计入背栅跨导的FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。第第3章章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路
