模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4場效應(yīng)管及其放大電路

1、4/20/2022 1:56:50 PM第第4章章 場效應(yīng)管放場效應(yīng)管放大電路大電路 4/20/2022 1:56:50 PM基本要求基本要求 了解場效應(yīng)管的分類、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）的結(jié)構(gòu)、工作原理； 熟悉輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線，以及場效應(yīng)管的主要參數(shù)； 掌握場效應(yīng)管放大電路的組成、分析方法和應(yīng)用。 4/20/2022 1:56:50 PMFET 特點(diǎn)特點(diǎn) 場效應(yīng)管根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管(Junction Field Effect Transistor, JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET） ，其中

2、包括耗盡型和增強(qiáng)型。本章先介紹JFET和MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)，再討論場效應(yīng)管放大電路的3種組態(tài)：共源極、共漏極和共柵極放大電路。 BJT工作在放大區(qū)時，輸入回路的PN結(jié)(BE結(jié))加正向偏壓，輸入阻抗小，且屬于電流控制電流器件。場效應(yīng)管(FET)雖然也是一種具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，但它是利用器件內(nèi)部的電場效應(yīng)控制輸出電流的大小，其輸入回路的PN結(jié)通常工作在反偏壓或絕緣狀態(tài)，輸入阻抗很高(1071012)。FET具有體積小、耗電少、壽命長、內(nèi)部噪聲小、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單以及便于集成等特點(diǎn)。 4/20/2022 1:56:50 PM4.1 結(jié)型場效應(yīng)管

3、結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) (a) N溝道JFET的結(jié)構(gòu)(Drain) (Gate) (Source) 圖4-1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號(b) P溝道JFET的結(jié)構(gòu)(Drain) (Gate) (Source) 4.1 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管 4.1.1 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) (c) JFET的符號N 溝道P 溝道gdsgds(c)4/20/2022 1:56:50 PM 如圖4-1a所示，在一塊N型半導(dǎo)體材料的各分別擴(kuò)散一個高參雜濃度的P型區(qū)(用P+表示)，兩側(cè)P+區(qū)與N溝道交界處形成兩個PN結(jié)，由于P+區(qū)內(nèi)側(cè)耗盡層非常窄，可見這兩個PN結(jié)都是非對稱PN

4、結(jié)。 兩邊P+區(qū)各引出一個歐姆接觸電極并連接在一起，稱為柵極G(Gate)；在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個歐姆接觸電極，分別稱為源極S(Source)和漏極D(Drain)。兩個PN結(jié)之間的N型區(qū)域稱為N型導(dǎo)電溝道，簡稱N溝道。N溝道JFET的符號如圖4-1c所示，其中，箭頭所指方向表示柵極和源極之間的PN結(jié)加正向偏壓時，柵極電流的方向是從P指向N。 如圖4-1b所示為P型溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖，其符號如圖4-1c所示。對于P溝道JFET，在使用過程中，除了直流電源電壓極性和漏極電流的方向與N型溝道JFET相反外，兩者的工作原理完全一樣。 4/20/2022 1:56:50 PM4.1.2 N

5、溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理 4/20/2022 1:56:51 PM4.1.2.1 對導(dǎo)電溝道和對導(dǎo)電溝道和 的控制作用的控制作用 GSuDiGS(off)GSGSGSGSDS (c) 0 (b) 0 ) a ( 0 24 Uuuuuu對溝道的控制作用時圖dddgggsssGGUGGUGSuGSu(a)(b)(c)導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道溝道變窄溝道變窄溝道夾斷溝道夾斷4/20/2022 1:56:51 PM4/20/2022 1:56:51 PM4.1.2.2 DSu對導(dǎo)電溝道和對導(dǎo)電溝道和Di的控制作用的控制作用 iD=0 (a)0GSu0DSu(b)GGUDDUGSuD

6、SuiD 迅 速 增 大 GS(off)GSDSUuu溝道最寬但電溝道最寬但電流為零流為零溝道變窄溝道變窄4/20/2022 1:56:51 PMiD 趨 于 飽 和 GGUGSuDDUDSu(c)GS(off)GSDSUuuAGGUGSuDDUDSuiD 飽 和 (d)GS(off)GSDSUuuA溝道預(yù)夾斷溝道預(yù)夾斷溝道夾斷溝道夾斷4/20/2022 1:56:51 PM4/20/2022 1:56:51 PMGS(off)GSDSUuu (4-1) 4/20/2022 1:56:52 PM4.1.3 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 1輸出特性曲線輸出特性曲線 N 溝道結(jié)型場

7、效應(yīng)管的輸出特性曲線是指當(dāng)柵源電壓GSu一定時， FET 漏極電流Di與漏源電壓DSu之間的關(guān)系曲線， 如圖 4-5a 所示，其函數(shù)關(guān)系為 常數(shù)GS)(DSDuufi (4-2) 圖4-5a所示N溝道JFET的輸出特性曲線。 4/20/2022 1:56:52 PMV0GSu-0.2V-0.6V-0.4V(b) 轉(zhuǎn)移特性(a) 輸出特性(2)(1)vDSu0mADi246810123456(a)GS(off)GSDSUuu圖 4-5 結(jié)型FET的特性曲線)offGS(UVGSu-0.2(b)mADiDSSI0123456-0.4-0.6(3)(4)ABCDDCBA可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)截止

8、區(qū)放大區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性4/20/2022 1:56:52 PM4/20/2022 1:56:52 PM4/20/2022 1:56:52 PM2 2轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性)offGS(UVGSu-0.2mADiDSSI0123456-0.4-0.6DCBA在 FET 輸出特性的飽和區(qū)， 即0GSGS(off) uU的范圍內(nèi)，Di隨GSu的增加(負(fù)數(shù)減小)近似按平方律上升，即 常數(shù)DS)(GSDuufi (4-3) 2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi(4-4) 只要給出DSSI和GS(off)U的數(shù)值就可以將轉(zhuǎn)移特性中的其他點(diǎn)近似計(jì)算出來。 4/

9、20/2022 1:56:52 PM4.2 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管(IG-FET) 4/20/2022 1:56:53 PM4.2.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET d dg gs sb bd dg gb bs s(b)增強(qiáng)型N溝道圖4-6 增強(qiáng)型 MOSFET 的結(jié)構(gòu)及其符號(b) 增強(qiáng)型MOSFET的符號s sg gd d襯底 B(a)2SiO絕緣層鋁電極半導(dǎo)體材料(a) N溝道增強(qiáng)型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖P 襯底NN阻擋層增強(qiáng)型P溝道4.2.1.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu) 絕緣層絕緣層襯底襯底呂電極呂電極4/20/2022 1:56:53 PM 在一塊摻

10、雜濃度較低的P型半導(dǎo)體材料(襯底)上，利用擴(kuò)散工藝在襯底上形成兩個高摻雜濃度的N型區(qū)域(用N+表示)，并在此N區(qū)域上引出兩個接觸電極(鋁電極)，分別稱為源極(S)和漏極(D)，兩個電極之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層，該絕緣層上再沉積金屬鋁層并引出電極作為柵極(G)，從襯底引出的電極稱為襯底電極(B)，通常將襯底電極和柵極連接在一起使用。 4/20/2022 1:56:53 PM4.2.1.2 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理的工作原理 1. GSu對Di的控制作用 4/20/2022 1:56:53 PMs sg gd dP襯底 BNN0Di(a) 無導(dǎo)電溝道時，

11、 0GSuDDUs sg gd dP襯底 BNN0Di(b) 出現(xiàn)溝道時， TGSVuGGU 反型層導(dǎo)反型層導(dǎo)電溝道電溝道4/20/2022 1:56:53 PMs sg gd dP襯底 BNNDi 夾斷區(qū)飽和GGUDDU趨于飽和較大時出現(xiàn)夾斷 , )d(DDSTGSiuVus sg gd dP襯底 BNNDiGGUDDUN型導(dǎo)電溝道 迅速增大迅速增大較小時， , )c(DDSTGSiuVu導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道發(fā)生變化發(fā)生變化導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道夾斷夾斷4/20/2022 1:56:53 PM4/20/2022 1:56:53 PM2. DSu對Di的影響 4/20/2022 1:56:54 PM4.

12、2.1.3 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線的特性曲線 0GS(th)U(a) 轉(zhuǎn)移特性mADiVGSu6234511234567V 6DSUABCDE/E/D/C/B/A N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線也分為輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，如圖4-8所示。 圖4-8b為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性曲線，輸出特性同樣分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)(飽和區(qū))、擊穿區(qū)和截止區(qū)。 V2GSu4V5V3V圖 4-8 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線(b) 輸出特性(2)(1)(4)6V(3)vDSu0mADi2468101234567GS(th)GSDSUuuABCDE/A/B/C/D/E4/20

13、/2022 1:56:54 PM)( ) 1(GS(th)GS2GS(th)GSDODUuUuIi(4-6) 4/20/2022 1:56:54 PM4.2.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-9a所示。耗盡型MOSFET 的符號如圖4-9b所示。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于N溝道耗盡型MOSFET在制造過程中在柵源之間的SiO2中注入一些離子(圖中4-9中用“”表示)，使漏源之間的導(dǎo)電溝道在 時導(dǎo)電溝道就已經(jīng)存在了，這一溝道稱為初始溝道。 0GSu4/20/2022 1:56:54 PMs sg gd

14、 dP 襯底襯底 B(a)圖4-9 耗盡型 MOSFET 的結(jié)構(gòu)及其符號(a) N溝道耗盡型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖(b) 耗盡型 MOSFET的符號(b)耗盡型 P 溝道耗盡型 N 溝道NN2SiO絕緣層鋁電極半導(dǎo)體材料導(dǎo)電溝道阻擋層 “”離子導(dǎo)電溝道4/20/2022 1:56:54 PMGS(off)UV0GSu-2V-6V-4V(a) 轉(zhuǎn)移特性圖 4-10 N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線(b) 輸出特性(2)(1)VGSu2VvDSu0mADi2468102-6-4-21234567(b)(a)GS(off)GSDSUuuV 6DSU0mADi1234567DSSI)0( )1

15、(GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi (4- 7) 4/20/2022 1:56:54 PM4.2.3 MOS場效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng)場效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng) MOS場效應(yīng)晶體管在使用時應(yīng)注意其分類，不能隨意互換。MOS場效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高(包括MOS集成電路)極易被靜電擊穿，使用時應(yīng)注意以下規(guī)則。 (1) MOS器件啟用前通常由生產(chǎn)廠家將MOS器件裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便用其他塑料袋裝。也可用細(xì)銅線把各個引腳連接在一起(或用錫紙包裝)，以防被靜電擊穿。 (2) 已取出的MOS器件不能在塑料板上滑動，應(yīng)用金屬盤來盛放待用器件。 (3) 焊接用的電烙

16、鐵必須良好接地，不具備條件時可將電烙鐵拔離交流電源插座再焊接。 (4) 在焊接前先將把電路板的電源線與地線短接，待MOS器件焊接完成后再恢復(fù)。 (5) 焊接MOS器件各引腳的順序是漏極、源極、柵極。拆卸MOS器件時順序相反。 (6) 電路板在裝機(jī)之前先用良好接地的線夾子去碰觸機(jī)器的各接線端子，再把電路板接上去。 (7) 生產(chǎn)過程中，在人體可能接觸MOS器件的時，操作人員的手腕應(yīng)帶靜電屏蔽套，并將屏蔽套可靠接地。4/20/2022 1:56:54 PM4.2.4 雙柵場效應(yīng)管雙柵場效應(yīng)管(DG FET) 雙柵 MOS 場效應(yīng)管有兩個柵極，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-12所示。由于雙柵MOSFET具有上、

17、下兩個柵，增強(qiáng)了對溝道的控制能力。對于厚膜雙柵MOSFET, 硅膜在正面、背面柵壓作用下的最大反型區(qū)域小于硅膜厚度, 即兩個反型溝道相對獨(dú)立, 而硅膜的中間部分沒有反型, 沒有電流通道。在這種狀況下, 雙柵MOSFET 相當(dāng)于兩個普通體硅MOSFET 的簡單并聯(lián)。 s sd d1g2g圖4-12 雙柵極MOSFET基本結(jié)構(gòu)示意圖P 襯底襯底B NN2SiO鋁電極(半導(dǎo)體材料) N(a)(b)溝道源極漏極柵極柵極導(dǎo)電溝道4/20/2022 1:56:54 PM2g1gds1T2Tds2g1g(a)(b)圖4-13 雙柵MOSFET的等效DAiDBi(c)DSG1G24DO1的引腳圖 國產(chǎn)N溝道M

18、OSFET的典型產(chǎn)品單柵管有3DO1、3DO2、3DO4等，雙柵管有4DO1等。 雙柵極FET雙柵極FET等效雙柵極FET引腳圖4/20/2022 1:56:54 PM4.3.1 FET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1直流參數(shù) 1) 夾斷電壓GS(off)U2) 開啟電壓GS(th)U3) 飽和電流DSSI4) 直流輸入電阻GSR2. 交流參數(shù) 1) 低頻跨導(dǎo)(互導(dǎo))mgDSGSDm uuig (4-11) 0)( 2 )1 ( 2GSGS(off)DSSDm0DSSDGS(off)DSSGS(off)GSGS(off)DSSmuUIigIiUIUuUIg(4-12) 4/20/2022 1:56:5

19、4 PM對于增強(qiáng)型MOSFET，將式(4-6)代入(4-11)得到增強(qiáng)型MOSFET的跨導(dǎo)為 )( 2 ) 1( 2GS(off)GSDODGS(th)DOGS(th)GSGS(th)DOmUuIiUIUuUIg(4-13) 2) 輸出電阻dsrDDSds iur (4-14) 4/20/2022 1:56:54 PM3極限參數(shù)極限參數(shù) 4/20/2022 1:56:55 PM4.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路 FET放大電路的分析方法與BJT放大電路的分析方法基本相同，可以用圖解法和低頻小信號等效(微變等效)電路法。 4.4.1 直流分析直流分析 與BJT放大電路相似，給FET柵極提供

20、直流電壓的電路稱為偏置電路。FET的偏置電路分為固定偏置電路、自給偏置電路和分壓式偏置電路三種。 4/20/2022 1:56:55 PMDRT iU oUDIgsUDDULR1C2CGGU(b)固定偏置電路GR1) 固定偏置電路 共源組態(tài)的基本放大電路如圖4-14所示。 圖4-14a是為FET提供負(fù)偏壓的固定偏置放大電路，偏置電壓由外加電壓 提供，由于FET的輸入電阻很大，流過柵極的電流幾乎為零。因此， 兩端的電壓降為零 GGUGR)1 (GS(off)GSDSSDUUII (4-15) 4/20/2022 1:56:55 PM 與BJT固定偏置電路一樣，圖4-14a所示FET固定偏置電路也

21、存在著工作點(diǎn)不穩(wěn)定的缺陷，因此，實(shí)際應(yīng)用中很少使用，更常用的是自給偏壓電路和分壓式偏置電路。 DRT iUGRR oUDIgsUsCDDULR1C2C(b)自給偏置電路2) 自給偏置電路 偏置電阻4/20/2022 1:56:55 PMRIUUUDSGGS(4-16) 這種偏置電壓是由FET的電流 產(chǎn)生的，所以稱為自給偏壓。 DI2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi(4-17) DIGSU只要將式(4-16)與(4-17)聯(lián)立求解，就可以求出靜態(tài)時漏極電流 和柵源電壓 。 漏極電流 求出后，根據(jù)圖4-14b所示電路的輸出回路(漏極回路)列出KVL方程：DI)(SDDDDDSRRIUU(

22、4-18) 4/20/2022 1:56:55 PM3）分壓式自給偏壓電路分壓式自給偏壓電路 DRT iUG2RRDIgsUsCDDULR1C2CG1R(a)GUDRT iUR oUDIgsUsCDDULR1C2C(b)G1RG2RG3RGUGUsRsU4/20/2022 1:56:55 PMG2G1G2DDGRRRUU(4-20) RiRRRUuDG2G1G2DDGS(4-22) 將(4-16)與(4-22)聯(lián)立求解，可以得到靜態(tài)時漏極電流 和柵源電壓 的值。 DIGSURIUDS(4-21) 利用式(4-20)獲得合適的 較為方便，因此，分壓式自給偏壓電路不僅適用于增強(qiáng)型FET放大電路，也

23、同樣適用于耗盡型FET放大電路。GSU4/20/2022 1:56:56 PM4.4.2 小信號模型分析小信號模型分析 4.4.2.1 FET的小信號等效模型的小信號等效模型 FET的輸出特性可知 ),(DSGSDuufi DSDSDGSGSDD d d dGSDSuuiuuiiUU(4-24) DSGSD Uui是式(4-11)表示的跨導(dǎo)mgGSDSD Uui是式(4-12)表示的FET輸出電阻的倒數(shù)。 4/20/2022 1:56:56 PMdsdsgsmd1urugi(4-25) gsdGSDmDS uiuigU為跨導(dǎo) ,單位為mA/V或mS dsdDSDdsdsGS 1uiuirgU稱

24、為FET漏極電阻率，單位為1gsudsrdsudigsmugGDS(a) 低頻小信號線性模型gsudsrdsudigsmugGDSgsCgdCdsC(b) 高頻小信號線性模型分布電容4/20/2022 1:56:56 PM4.4.2.2 小信號模型分析方法小信號模型分析方法 1. 共源極放大電路分析共源極放大電路分析 DRT iUR oUDIgsUsCLR1C2CG1RG2RG3RGUGUDDU圖4-17 共源極放大電路sRsU FET放大電路的分析方法和BJT放大電路的分析方法相同。給出電路后首先應(yīng)該分析電路中各元器件的作用，然后畫出該電路的低頻小信號等效電路圖，再根據(jù)定義計(jì)算電路中的相關(guān)參

25、數(shù)。 4/20/2022 1:56:56 PM 將圖4-17所示共源極放大電路的交流通路和小信號微變等效電路繪成圖，如圖4-18所示。 DRT iU oUdIgsULRG1RG2RG3R(a)SRsU iI(b)gsUdsrgsmUgG1RG3RDRLR iU oUG2RSRsU iIdI圖4-18 共源極放大器的微變等效電路4/20/2022 1:56:56 PM1) 電壓增益電壓增益 根據(jù)定義， 放大電路的電壓放大系數(shù)為iouUUA， 由圖 4-18b 可知， gsiUU，由于/LdsRr ，且令LD/L/ RRR ，/Lgsmds/Lgsmo)/(RUgrRUgU，則 /Lmgs/LgsmiouRgURUgUUA(4-26) 式(4-26)中的“”號表示共源極放大器的倒相作用。 2) 電流增益電流增益 LGuGgsLgsioi/RRARURUIIA (4-2