模電場效應(yīng)管放大電路

1、5.1 場效應(yīng)管場效應(yīng)管1.1-25.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管5.1.2 絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管5.1.3 場效應(yīng)管的參數(shù)和型號場效應(yīng)管的參數(shù)和型號場效應(yīng)管的工作原理、特性曲線及參數(shù)場效應(yīng)管的工作原理、特性曲線及參數(shù)1.1-3（FET, Field Effect Transistor）是）是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。體器件。 由于由于FET主要利用一種載流子（多子）主要利用一種載流子（多子）導(dǎo)電，因此屬于導(dǎo)電，因此屬于單極型單極型晶體管。晶體管。體積小、重量輕、耗電省、壽命長體積小、重量輕、耗電省、壽命長輸入阻抗高輸入

2、阻抗高（108109）噪聲低，熱穩(wěn)定性好噪聲低，熱穩(wěn)定性好抗輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡單抗輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡單沒有二次擊穿現(xiàn)象沒有二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)域?qū)挵踩ぷ鲄^(qū)域?qū)捹N片和小型封裝場效應(yīng)管貼片和小型封裝場效應(yīng)管TO220及類似封裝場效應(yīng)管及類似封裝場效應(yīng)管TO247及類似封裝場效應(yīng)管及類似封裝場效應(yīng)管1.1-5金屬封裝及軍品級場效應(yīng)管金屬封裝及軍品級場效應(yīng)管特種封裝場效應(yīng)管（絕緣特種封裝場效應(yīng)管（絕緣底板模塊封裝）底板模塊封裝）1.1-6結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管Junction type FET絕緣柵型場效應(yīng)絕緣柵型場效應(yīng)管管Insulated Gate FETN溝道溝道JFETP溝道溝

3、道JFET金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場效半導(dǎo)體場效應(yīng)管應(yīng)管（MOSFET）其它（其它（PMOS、NMOS、VMOS型型FET等）等） N溝道溝道P溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型耗盡型耗盡型1.1-71.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)dsgd 漏極漏極g 柵極柵極N耗盡層耗盡層s 源極源極GateDrainSourceN型溝道型溝道1.1-8d 漏極漏極g 柵極柵極N+ +N+ +P耗盡層耗盡層s 源極源極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和符號溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和符號dsg1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)1.1-9基極b（base）柵極g(Gate)集電極c(collec

4、tor)漏極d(Drain)發(fā)射極e(emitter)源極s(Source)BJT放大電路放大電路組態(tài)組態(tài)共基極共基極(common-base)共集電極共集電極(common-collector)共發(fā)射極共發(fā)射極(common-emitter)FET放大電路放大電路組態(tài)組態(tài)共柵極共柵極(common-gate)共漏極共漏極(common-drain)共源極共源極(common-source)1.1-101.結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理（1）柵源電壓）柵源電壓VGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用（2）漏源電壓）漏源電壓VDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用 N溝道溝道JFET工

5、作時(shí)，需要在柵工作時(shí)，需要在柵-源極間加一源極間加一負(fù)負(fù)電壓電壓vGS，使，使PN結(jié)結(jié)反偏反偏，柵極電流，柵極電流iG0，場，場效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻 (rGS高達(dá)高達(dá)108 左左右右)。在漏。在漏-源極間加一源極間加一正正電壓電壓vDS，使，使N溝道中溝道中的多子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移的多子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵的大小主要受柵-源源電壓電壓vGS控制，同時(shí)也受漏控制，同時(shí)也受漏-源電壓源電壓vDS的影響。的影響。1.1-11當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)，時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道結(jié)反偏，耗盡

6、層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，變窄，溝道電阻變大，ID減?。粶p小； VGS更負(fù)，溝道更負(fù)，溝道更窄，更窄，ID更??；更?。恢敝翜系辣缓闹敝翜系辣缓谋M層全部覆蓋，盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，溝道被夾斷， ID0。這時(shí)所。這時(shí)所對應(yīng)的柵源電對應(yīng)的柵源電壓壓稱為稱為1.1-12 在柵源間加電壓在柵源間加電壓VGSVP，漏源間加，漏源間加電壓電壓VDS。則因漏端。則因漏端耗盡層所受的反偏電耗盡層所受的反偏電壓為比源端耗盡層所壓為比源端耗盡層所受的反偏電壓受的反偏電壓VGS大，大，使靠近漏端的耗盡層使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源比源端厚，溝道比源端窄，使溝道呈楔形。端窄，使溝道呈楔形。隨隨VDS增

7、大，這種不增大，這種不均勻性更明顯。均勻性更明顯。當(dāng)當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VGS-VDS =VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)當(dāng)當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸夾斷點(diǎn)向源極方向伸長為長為。由于。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要使主要VDS降落在該區(qū)，降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場力由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場力能把未夾斷區(qū)漂移到能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都其邊界上的載流子都掃至漏極，形成掃至漏極，形成漏極漏極飽和電流飽和電流 。預(yù)夾斷點(diǎn)預(yù)夾斷點(diǎn)夾斷區(qū)夾斷區(qū)常數(shù)常數(shù) vfDSviGSD)(i5432101234vDS=12 Vv

8、GS/VD / mAIDSSVP在在VPvGS0的范圍內(nèi)的范圍內(nèi), 漏極電流漏極電流iD與柵極電與柵極電 壓壓vGS的關(guān)系為的關(guān)系為2)1(VvIiPGSDSSD 場效應(yīng)管的特性曲線分為場效應(yīng)管的特性曲線分為轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線和和輸出特性曲線。輸出特性曲線。 在在vDS一定時(shí)一定時(shí), 漏極電流漏極電流iD與柵源電與柵源電壓壓vGS之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。 即即012345246810 12 14 16 18iD / mAvDS / V夾斷區(qū)夾斷區(qū)可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)4 V3 V2 V1 V擊擊穿穿區(qū)區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū)) )vGS0 V輸出特性是指柵源

9、電壓輸出特性是指柵源電壓vGS一定一定, 漏漏極電流極電流iD與漏源電壓與漏源電壓vDS之間的關(guān)系之間的關(guān)系, 即即常數(shù)常數(shù) vfGSviDSD)(預(yù)夾斷點(diǎn)預(yù)夾斷點(diǎn)1.1-15正常工作時(shí)，正常工作時(shí)，JFET柵極、溝道之間的柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的。因此，其結(jié)是反向偏置的。因此，其iG0，輸入電阻很高。輸入電阻很高。JFET是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件，iD受受vGS的的控制?？刂啤ｎA(yù)夾斷之前，預(yù)夾斷之前， iD與與vDS呈近似線性關(guān)系；呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。趨于飽和。P溝道溝道JFET工作時(shí)，其電源極性與工作時(shí)，其電源極性與N溝溝道道JFET

10、極性相反。極性相反。結(jié)型場效應(yīng)管N溝溝道道耗耗盡盡型型P溝溝道道耗耗盡盡型型1.1-17金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場效半導(dǎo)體場效應(yīng)管應(yīng)管（MOSFET）N溝道溝道P溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型耗盡型耗盡型vGS=0時(shí)，不存時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道在導(dǎo)電溝道vGS=0時(shí)，存時(shí)，存在導(dǎo)電溝道在導(dǎo)電溝道絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管中應(yīng)用最廣泛的是中應(yīng)用最廣泛的是金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)半導(dǎo)體場效應(yīng)管體場效應(yīng)管MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor type FET） (a) N溝道結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)構(gòu)圖; (b) N溝道符號溝道符號; (c) P溝道符號溝

11、道符號（1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)(a）(b）(c）gdsgdssgdNNP型硅襯底型硅襯底襯底引線襯底引線SiO2襯底襯底襯底襯底1.1-19（2）工作原理）工作原理 MOSFET與與JFET的工作原理類似，也的工作原理類似，也是由柵源電壓是由柵源電壓vGS控制溝道的大小，從而控制溝道的大小，從而改變溝道電阻，影響改變溝道電阻，影響vDS和和iD之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET與與JFET不同在于，不同在于，在在vGS =0時(shí)，導(dǎo)電溝道是不存在的時(shí)，導(dǎo)電溝道是不存在的；只有；只有當(dāng)當(dāng)|vGS |大于某一特定值時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)大于某一特定值時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。電溝道。gdNNP型硅襯底型

12、硅襯底sUGGUDDiD N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理管工作原理vGS=0時(shí)，源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成兩個(gè)背靠背的時(shí)，源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，漏源結(jié)，漏源之間不存在導(dǎo)電溝道。之間不存在導(dǎo)電溝道。vGS0時(shí)，柵極鋁層和時(shí)，柵極鋁層和P型襯底以型襯底以SiO2為介質(zhì)形成平板電容。為介質(zhì)形成平板電容。電場方向如圖。電場方向如圖。該電場吸引該電場吸引P型襯底型襯底少子（電子）在柵少子（電子）在柵極附近的極附近的P型層表面型層表面形成一個(gè)形成一個(gè)N型薄層，型薄層，稱之為稱之為反型層反型層。也。也稱為稱為感生溝道感生溝道。當(dāng)當(dāng)vDSVT（開啟電（開啟電壓）時(shí)，產(chǎn)生漏極壓）時(shí)，產(chǎn)生漏極

13、電流電流 iD。 感生溝道感生溝道gdNNP型硅襯底型硅襯底sUGGUDDiD N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理管工作原理當(dāng)當(dāng)I ID從從D DS S流過溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝流過溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻，溝道呈楔形道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻，溝道呈楔形當(dāng)當(dāng)vDS大到一定值大到一定值時(shí)，形成一個(gè)時(shí)，形成一個(gè)夾夾斷區(qū)斷區(qū)，此時(shí)，此時(shí)iD趨趨于飽和。于飽和。若若V VDS進(jìn)一步增大，進(jìn)一步增大，直至即直至即V VGS- -V VDS= =V VT時(shí)，時(shí)，漏端溝道消失，漏端溝道消失，出現(xiàn)出現(xiàn)。預(yù)夾斷點(diǎn)預(yù)夾斷點(diǎn)夾斷區(qū)夾斷

14、區(qū))()1(20VvVvIiTGSTGSDD 其中其中ID0是是vGS=2VT時(shí)的時(shí)的iD值。值。 （3）特性曲線）特性曲線 （a） N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的的 在在vGSVT時(shí)時(shí), iD與與vGS的關(guān)系可用下式表示的關(guān)系可用下式表示:4321iD / mA02468 vGS / VvDS10 VV T3 V1.1-23012345iD / mA6 V5 V4 V3 V246810 12 14 16 18vDS / VvGS =（b） N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的的飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)gds1.1-24N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET，由于絕緣層具有正，由

15、于絕緣層具有正離子，即使離子，即使vGS =0，仍能形成，仍能形成N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道當(dāng)當(dāng)vGS 0時(shí)，導(dǎo)電溝道加寬，時(shí)，導(dǎo)電溝道加寬，ID增加增加當(dāng)當(dāng) vGS UGS則：則：UG US而：而：IG=0mA5 . 0RURUISGSSD V10)RR(IUUDSDDDDS +UDD+20V所以：所以：V5URRRUDD212G =直流通道直流通道IDUDSIGR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS第四章第四章動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析微變等效電路微變等效電路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoId+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50

16、K1M10K10KGDS10KSGDgsVgsmVgdsVdI第四章第四章 動(dòng)態(tài)分析：動(dòng)態(tài)分析：UgsUiUgsgmIdrirogsiUU UoSGR2R1RGRL DRLRD)/(LimLDgsmoRUgRRUgU LmuRgA 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)1.1-41電壓放大倍數(shù)估算電壓放大倍數(shù)估算LmuRgA =-3 （10/10）=-15RL=RD/RLR1=150k R2=50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V第四章第四章 =10K 輸入電阻、輸出電阻輸入電阻、輸出電阻=1+0.15/0.05=1.0375M R1=150k R2=

17、50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20VSGR2R1RGRL DRLRDriro1.1-43共漏放大電路共漏放大電路 共漏放大電路又稱源極輸出器。共漏放大電路又稱源極輸出器。 VDDC2RRg2C1vivoRg1第四章第四章 VDDC2RRg2C1vivoRg1靜態(tài)分析靜態(tài)分析RIVRRRVVVDDDgggSGGS 2122)1(PGSDSSVVDII RIVVDDDDS gdsID第四章第四章gRRRRRmoggi1/21 Rg1Rg2ViVgsggmVgsRVodsRRggVVAVRgVVVRVgRIVmmioVgsmogsigsmdo

18、 1)1( 動(dòng)態(tài)分析：動(dòng)態(tài)分析：第四章第四章(源極輸出器源極輸出器)uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150k R2=50k RG=1M RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V共漏放大電路共漏放大電路第四章第四章靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn):VURRRUDDG5212 US UGmA5 . 0RURUISGSSD UDS=UDD- US =20-5=15V+UDD+20VIDUDSIGR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS第四章第四章uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10K微變等效電路：微變等效電路：第四章第四章微變等效電路：微變等效電路：iU gsU oU dI gsmUg LgsmgsLgsmiouRUgURUgUUA 11 LmLmRgRgriro ro gR2R1RGsRLRSUi=Ugs+UoUo =Id(RS/RL)=gm Ugs RLd第四章第四章求求riri=RG+R1/R2rigR2R1RGsRLRSdgsmUg 第四章第四章求求ro加壓求流