第五章場效應(yīng)管放大電路

第5章場效應(yīng)管放大電路主要內(nèi)容及基本要求：1、了解場效應(yīng)管的基本原理（注意與三極管的相同點和不同點）；

2、了解場效應(yīng)管幾個工作區(qū)的特點（注意與三極管的相同點和不同點）；3、掌握場效應(yīng)管小信號模型的規(guī)律（注意與三極管的相同點和不同點）；4、掌握場效應(yīng)管放大電路的分析方法（注意與三極管的相同點和不同點）。場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)晶體管是由一種載流子導(dǎo)電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有自由電子導(dǎo)電的N溝道器件和空穴導(dǎo)電的P溝道器件。（簡記為FET）

按照場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)劃分，有結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管兩大類。1.結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管的比較：1、均有三個引腳（極）；2、形狀類似；3、都可以實現(xiàn)信號的放大；4、導(dǎo)電原理不同；5、形成電路的特點不同；6、應(yīng)用場合不同。2.工作原理

N溝道PN結(jié)N溝道場效應(yīng)管工作時，在柵極與源極之間加負(fù)電壓，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。

在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P溝道場效應(yīng)管工作時，極性相反，溝道中的多子為空穴。注意：N溝道、P溝道的區(qū)別類似于三極管中的NPN管和PNP管，我們討論較多的是N溝道型的FET①柵源電壓VGS對iD的控制作用

當(dāng)VGS＜0時，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減??；VGS更負(fù)，溝道更窄，ID更小；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，ID≈0。這時所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。（D、S被斷開）②漏源電壓VDS對iD的影響?當(dāng)VDS增加到多少時最上面的一點會合在一起呢？VDS=|VP|時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點首先設(shè)VGS=0（或保持一恒定值），VDS逐漸增加：?剛開始時隨著VDS的增加，電流也基本線性增加；?隨VDS增大，電壓的不均勻性開始顯現(xiàn)，而且這種不均勻性會越來越明顯。為什么會這樣呢？?隨著VDS的繼續(xù)增加，夾斷區(qū)僅略有增加。VP當(dāng)VDS繼續(xù)增加時，預(yù)夾斷點向源極方向伸長為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強電場力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都吸至漏極，形成漏極飽和電流。（稱為飽和電流的原因）為什么？JFET工作原理

（動畫2-9)(3)伏安特性曲線①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）(2)受控性：輸出電流受輸入電壓vGS控制(1)恒流性：輸出電流iD

基本上不受輸出電壓vDS影響用途：可做放大器和恒流源。條件：(1)柵源溝道未夾斷

(2)漏源溝道予夾斷

特點：(3)伏安特性曲線預(yù)夾斷條件：而：即：所以：可變電阻區(qū)特點（2）當(dāng)vGS為定值時,iD是

vDS的（近似）線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受

vGS控制。特點（1）管壓降vDS很小。用途：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：源端與漏端溝道都不夾斷

夾斷區(qū)

用途：做無觸點的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個溝道都夾斷

擊穿區(qū)

當(dāng)漏源電壓增大到

時，漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，使iD劇增的區(qū)域。其值一般為（20—50）V之間。管子不能在擊穿區(qū)工作。特點：總結(jié)：場效應(yīng)管在不同的vGS

、vDS電壓下處在不同的工作區(qū)中：1、可變電阻區(qū)：vDS<vGS-VP2、恒流區(qū)：vDS>vGS-VP、vGS>VP3、截止區(qū)：vGS<VP4、擊穿區(qū)：vDS>VBR(DS)

②轉(zhuǎn)移特性曲線輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制結(jié)型場效應(yīng)管的特性小結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管MetalOxideSemiconductor——MOSFET分為增強型N溝道、P溝道

耗盡型N溝道、P溝道增強型：沒有導(dǎo)電溝道，耗盡型：存在導(dǎo)電溝道，N溝道P溝道增強型N溝道P溝道耗盡型N溝道增強型場效應(yīng)管N溝道增強型場效應(yīng)管的工作原理（1）柵源電壓VGS的控制作用

當(dāng)VGS=0V時，因為漏源之間被兩個背靠背的PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓,在D、S間也不可能形成電流。

當(dāng)0＜VGS＜VT(開啟電壓)時，果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時，使兩個N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)（1）.柵源電壓VGS的控制作用的N型溝道。把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時，若在漏源間加電壓VDS，就能產(chǎn)生漏極電流

ID，即管子開啟。VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS

電壓作用下，ID越大。這樣，就實現(xiàn)了輸入電壓VGS對輸出電流ID的控制。

當(dāng)VGS＞VT時，襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)ID柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用2.漏源電壓VDS對溝道導(dǎo)電能力的影響

當(dāng)VGS＞VT且固定為某值的情況下，若給漏源間加正電壓VDS則源區(qū)的自由電子將沿著溝道漂移到漏區(qū)，形成漏極電流ID，當(dāng)ID從D

S流過溝道時，沿途會產(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。源極端電壓最大，由此感生的溝道最深；離開源極端，越向漏極端靠近，則柵—溝間的電壓線性下降，由它們感生的溝道越來越淺；直到漏極端，柵漏間電壓最小，由此感生的溝道也最淺?？梢?，在VDS作用下導(dǎo)電溝道的深度是不均勻的，溝道呈錐形分布。若VDS進(jìn)一步增大，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點（A點）。A

當(dāng)VDS為0或較小時，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。

當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時，漏極處溝道將縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)的邊界處，就能被預(yù)夾斷區(qū)內(nèi)的電場力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。

當(dāng)VDS增加到使VGDVT時，預(yù)夾斷點向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點開始，ID基本不隨VDS增加而變化。增強型MOSFET的工作原理MOSFET的特性曲線1.漏極輸出特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性曲線—VGS對ID的控制特性

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。其量綱為mA/V，稱gm為跨導(dǎo)。

gm=ID/VGSQ

（mS)

ID=f(VGS)VDS=常數(shù)增強型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。因此，使用時無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會有漏極電流。當(dāng)VGS＞0時，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時，隨著VGS的減小ID逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS值為夾斷電壓VP。耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號一、場效應(yīng)三極管的參數(shù)

1.開啟電壓VT

開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

2.夾斷電壓VP

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時,漏極電流為零。3.飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應(yīng)三極管,當(dāng)VGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。4.輸入電阻RGS

結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時RGS約大于107Ω；絕緣柵型場效應(yīng)三極管,RGS約是109～1015Ω。

5.低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS

(毫西門子)。

6.最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM=VDSID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。7.輸出電阻rd

從輸出特性曲線上可以了解這個概念。(2)場效應(yīng)三極管的型號

場效應(yīng)三極管的型號,現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。幾種常用場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)雙極型三極管與場效應(yīng)三極管的比較

雙極型三極管

場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型N溝道P溝道

與 PNP型絕緣柵增強型N溝道P溝道分類C與E一般不可絕緣柵耗盡型N溝道P溝道倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，且有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成絕緣柵增強型N溝P溝絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道結(jié)型場效應(yīng)管放大電路（1）自偏壓電路及靜態(tài)分析(VGSQ、IDQ、VDSQ)VGSQ=-IDQRIDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2解方程組，去掉無意義的解VDSQ=VDD-IDQ(Rd+R)注意與三極管的比較組態(tài)：外部條件：共源極G、S反偏（2）分壓式偏壓電路及靜態(tài)分析直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VG－VS=VG－IDQRIDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2VDSQ=VDD－IDQ(R+Rd)由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。不僅需要計算：VGSQ、IDQ、VDSQ還需要計算：VG注意：Rg3的作用（3）動態(tài)分析的小信號分析法前提：滿足外部工作條件（3）動態(tài)分析的小信號分析法低頻模型前提：滿足外部工作條件交流分析小信號等效電路①電壓放大倍數(shù)②輸入電阻

③輸出電阻N溝道耗盡型結(jié)型場效應(yīng)管放大器的自偏壓電路如圖1(a)所示。其中場效應(yīng)管的柵極通過電阻Rg接地，源極通過電阻R接地。

場效應(yīng)管放大器的自偏壓電路

MOS型FET的對比------直流偏置電路1.自偏壓電路圖1(a)圖1(b)自偏壓電路工作原理

這種偏置方式靠漏極電流ID在源極電阻R上產(chǎn)生的電壓為柵-源極間提供一個偏置電壓VGS，故稱為自偏壓電路。

靜態(tài)時，源極電位VS=IDR。由于柵極電流為零，Rg上沒有電壓降，柵極電位VG=0，所以柵源偏置電壓:VGS=VG–VS=–IDR

耗盡型MOS管也可采用這種形式的偏置電路圖1(a)

圖1(b)所示電路是自偏壓電路的特例，其中VGS=0。顯然這種偏置電路只適用于耗盡型MOS管，因為在柵源電壓大于零、等于零和小于零的一定范圍內(nèi)，耗盡型MOS管均能正常工作。增強型MOS管只有在柵-源電壓達(dá)到其開啟電壓VT時，才有漏極電流ID產(chǎn)生，因此圖1所示的自偏壓電路非增強型MOS管。

圖1(b)2．分壓器式自偏壓電路

分壓器式自偏壓電路是在自偏壓電路的基礎(chǔ)上加接分壓電路后構(gòu)成的，如圖2所示。

圖2靜態(tài)時，由于柵極電流為零，Rg3上沒有電壓降，所以柵極電位由Rg2與Rg1對電源VDD分