1、第第3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3.1 3.1 场效应半导体三极管场效应半导体三极管 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应三极管的结构来划分，它有两大类：1.结型场效应三极管JFET；2.缘栅型场效应三极管IGFET，IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET。绝缘栅型场效应三极管 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。MOSFET的结构与JFET相似，工作机理相同。分为:增
2、强型 N沟道、P沟道；耗尽型 N沟道、P沟道。N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 3.1。其中：D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。图3.1 N沟道增强型MOSFET结构示意图3.1.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理1 1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET 结构结构 根据右图，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层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，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
3、体称为衬底，用符号B表示。工作原理工作原理 a栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用 当VGS=0V时，漏源之间相当于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。当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)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，所以不可能以形成漏极电流ID。VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图3.3。进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（VG
4、S(th)称为开启电压VT)，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ID。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。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。图3.3 VGS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gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下：gm=ID/
5、VGS VDS=const (单位mS)ID=f(VGS)VDS=const b b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 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图3.7所示。根据此图可以有如下关系：VDS=VDGVGS =VGDVGSVGD=VGSVDS 当VDS为0时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图3.4(a)，沟道呈直线分布。图3.4(a)漏源电压VDS对沟道的影响 (a)当VDS较小时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图3.5(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道
6、呈斜线分布。(b)当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图3.5(b)所示。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。(c)当VDS增加到VGDVGS(th)时，沟道如图3.5(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。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。当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图3.6所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。图3.6 漏极输出特性曲线2GS(th)GSDODQ)1(UVII-=2 2、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 当VGS0时
7、，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图3.7(b)所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3.7(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=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)转移特性曲线图3.7 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线2GS(off)GSDSSD)1(UuIi-=在恒流区时 3 3
8、、P沟道耗尽型沟道耗尽型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。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3.8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区即为栅极栅极G，N型硅的一端是漏极漏极D，另一端是源极源极S。3.1.2 3.1.2 结型场效应三极管结型场效应三极管图3.8 N沟道结型场效应三极管的结构和符号2、结型场效应三极管的工作原理结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极
9、管的结构，为使结型场效应管能正常工作，应在其栅-源之间加反偏电压（vGS0），以保证耗尽层承受反向电压；在漏-源之间加正向电压，以形成漏极电流。vGS1 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，将图03.17改画为图03.18。图03.18 求输出电阻的微变等效电路mmmooomogsmoo1/=+1=)/1/(=-=),/1/(=-=gRRgRgRIVRVVgRVVgRVIgsoLmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv=-=3.2.3 共栅组态基本放大电路 共栅组态放大电路如图03.19所示，其微
10、变等效电路如图03.20所示。图 03.19共栅组态放大电路 图 03.20 微变等效电路(1)(1)直流分析直流分析 与共源组态放大电路相同。(2)(2)交流分析交流分析电压放大倍数 输出电阻输出电阻 RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVR=-=输入电阻输入电阻3.2.4 3.2.4 三种接法基本放大电路的比较三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下组态对应关系组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CDbeLLbeLbeL+=CB)1()(1 =CC=CErRARrRArRAvvv-：LmLmLmLm+=CG 1=CD=C
11、SRgARgRgARgAvvv-：电压放大倍数电压放大倍数三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下组态对应关系组态对应关系 CE/CB/CCCE/CB/CC CS/CG/CDCS/CG/CD输入电阻输入电阻Ri CB:CC:CE:CS：Rg1/Rg2CD：Rg+(Rg1/Rg2)CG：R/(1/gm)Rrbbe/)1(/LbebRrRRe/rbe/(1+)三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下组态对应关系组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD输出电阻输出电阻Ro cs/bbeec CB1+/CCCERRRrRR：CS：rds/RdCD：R/(1/gm)CG：Rd
