模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué)出版第3章 場效應(yīng)管

3場效應(yīng)晶體管及其放大電路

3.2絕緣柵型場效應(yīng)管3.1結(jié)型場效應(yīng)管3.3場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管，簡稱FET(FieldEffectTransistor)，其主要特點：(a)

輸入電阻高，可達107~1015W。(b)

起導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子，又稱為單極型晶體管。(c)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(d)

噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)

在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。3.1結(jié)型場效應(yīng)管

3.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1.2JFET的特性曲線

3.1.3JFET的主要電參數(shù)

3.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)構(gòu)

圖示為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號，結(jié)型場效應(yīng)管符號中的箭頭，表示由P區(qū)指向N區(qū)。2、工作原理（1）當(dāng)柵源電壓uGS=0時，兩個PN結(jié)的耗盡層比較窄，中間的N型導(dǎo)電溝道比較寬，溝道電阻小，如圖所示。（2）當(dāng)uGS<0時，兩個PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)的耗盡層變寬，中間的N型導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，溝道導(dǎo)通電阻增大，如圖所示。

uGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。當(dāng)溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓uGS稱為夾斷電壓UGS(off)。對于N溝道的JFET，

UGS(off)<0。（3）當(dāng)UGS(off)

<uGS≤0且uDS>0時，可產(chǎn)生漏極電流iD。iD的大小將隨柵源電壓uGS的變化而變化，從而實現(xiàn)電壓對漏極電流的控制作用。

uDS的存在，使得漏極附近的電位高，而源極附近的電位低，即沿N型導(dǎo)電溝道從漏極到源極形成一定的電位梯度，這樣靠近漏極附近的PN結(jié)所加的反向偏置電壓大，耗盡層寬；靠近源極附近的PN結(jié)反偏電壓小，耗盡層窄，導(dǎo)電溝道成為一個楔形，如圖所示。

當(dāng)uDS增加到使uGD=UGS(off)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時uDS

夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變綜上所述，可得下述結(jié)論：（1）JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此其iG

約等于零，輸入電阻的阻值很高；（2）JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制；（3）預(yù)夾斷前，iD與uDS呈近似線性關(guān)系，預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。3.1.2JFET的特性曲線1.輸出特性

圖示即為N溝道場效應(yīng)管的輸出特性曲線，它與NPN型三極管的輸出特性曲線相似，可以分為四個區(qū).可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)各區(qū)的特點：（1）截止區(qū)（夾斷區(qū)）：當(dāng)uGS<

UGS(off)

時，導(dǎo)電溝道被夾斷，iD=0稱為截止區(qū)。

（2）可變電阻區(qū)：又稱非飽和區(qū)，是預(yù)夾斷前的區(qū)域。此時溝道尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷，管子可以看作是一個由電壓控制的可變電阻。圖中左邊的一條虛線為預(yù)夾斷軌跡。當(dāng)，時，則N溝道JFET工作在可變電阻區(qū)，其伏安特性可表示為其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。（3）恒流區(qū)：又稱飽和區(qū)或放大區(qū)，是預(yù)夾斷后的區(qū)域，管子漏極電流iD幾乎不隨uDS變化，主要由uGS決定。在此區(qū)域，場效應(yīng)管可以看作一個恒流源。利用場效應(yīng)管做放大管時，管子在此區(qū)域工作。

當(dāng)，時，JFET工作在飽和區(qū)，此時（4）擊穿區(qū)：當(dāng)uDS增大到一定程度時，柵漏極間PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD迅速增大。如果不加限制，管子將會電擊穿。管子不允許在此區(qū)域工作。

2.轉(zhuǎn)移特性

轉(zhuǎn)移特性反映了場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流的控制作用。當(dāng)uGS=0時，導(dǎo)電溝道電阻最小，iD最大，稱此電流為場效應(yīng)管的飽和漏極電流IDSS。當(dāng)uGS=UGS(off)時，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，溝道電阻最大，此時iD=0，稱UGS(off)為夾斷電壓。1.直流參數(shù)

(1)夾斷電壓UGS(off)

(2)零偏漏極電流IDSS

(3)直流輸入電阻RGS

2.交流參數(shù)

(1)跨導(dǎo)gm

(2)極間電容

3.1.3JFET的主要電參數(shù)

絕緣柵型場效應(yīng)管是由金屬（Metal）、氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）材料構(gòu)成的，因此又叫MOS管，可以用MOSFET表示。絕緣柵場效應(yīng)管分為增強型和耗盡型兩種，每一種又包括N溝道和P溝道兩種類型。

增強型和耗盡型的區(qū)別是：當(dāng)uGS=0時，存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型，不存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。

3.2絕緣柵型場效應(yīng)管3.2.1N溝道增強型MOS管1.結(jié)構(gòu)與符號符號中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指向N區(qū)（N溝道），虛線表示增強型。

2.N溝道增強型MOS管的工作原理

（1）uGS對溝道的控制作用當(dāng)uGS≤0時無導(dǎo)電溝道，

d、s間加電壓時，也無電流產(chǎn)生。當(dāng)0<uGS

<UT時產(chǎn)生電場，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒有電流產(chǎn)生。當(dāng)uGS

>UT時在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。

uGS越大，導(dǎo)電溝道越厚UT稱為開啟電壓（2）uDS對iD的影響

iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)

uGD＝UT,預(yù)夾斷

iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻3.伏安特性曲線及大信號特性方程

MOSFET的輸出特性是指在柵源電壓uGS一定的條件下，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系，即

該輸出特性曲線與結(jié)型場效應(yīng)管相似，MOSFET有三個工作區(qū)域：可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。（1）截止區(qū)：當(dāng)uGS＜UT時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。（2）可變電阻區(qū)：當(dāng)uDS≤（uGS－UT）時，

其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。（3）飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)或放大區(qū)）：當(dāng)uGS>UT且uDS≥（uGS－UT）時，MOSFET進入飽和區(qū)，此時

由于飽和區(qū)內(nèi)，iD受uDS的影響很小，因此在飽和區(qū)內(nèi)不同uDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。N溝道增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。其主要特點為：（1）當(dāng)uGS

<UT

時，iD=0。（2）當(dāng)uGS>UT時，iD>0，uGS越大，iD也隨之增大，兩者符合平方律的關(guān)系。（1）結(jié)構(gòu)、符號與工作原理3.2.2N溝道耗盡型MOS管耗盡型在uGS

=0時就存在導(dǎo)電溝道。因為制造過程中，在柵極下面的SiO2絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子(如Na++或K++)，這些正離子的作用如同加正的柵源電壓并使uGS>UT時相似，能在P型襯底表面產(chǎn)生垂直于襯底的自建電場，排斥空穴，吸引電子，從而形成表面導(dǎo)電溝道。

由于uGS=0時就存在原始溝道，所以只要此時uDS>0，就有漏極電流iD。如果uGS>0，由于絕緣層的存在，并不會產(chǎn)生柵極電流，但指向襯底的電場加強，溝道變寬，漏極電流iD將會增大。若uGS<0，則柵壓產(chǎn)生的電場與正離子產(chǎn)生的自建電場方向相反，總電場減弱，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)uGS繼續(xù)變負(fù)，等于某一閾值電壓時，溝道將完全被夾斷，iD=0，管子進入截止?fàn)顟B(tài)。此時的柵源電壓稱為夾斷電壓UP。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時就存在導(dǎo)電溝道

N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性如圖所示。耗盡型NMOSFET的電流方程為：

耗盡型MOS管的工作區(qū)域同樣可以分為截止區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。所不同的是N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓為UP負(fù)值，而N溝道增強型MOS管的開啟電壓為UT為正值。

3.2.3MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.開啟電壓UT

（增強型參數(shù)）2.夾斷電壓UP

（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

2.低頻互導(dǎo)gm

在uDS等于常數(shù)時，漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓的微變量之比稱為互導(dǎo)，互導(dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，它相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點的斜率?；?dǎo)是表征FET放大能力的一個重要參數(shù)。三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

3.3場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管同三極管一樣，具有放大作用。它也可以構(gòu)成各種組態(tài)的放大電路，共源極、共漏極、共柵極放大電路。場效應(yīng)管由于具有輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性能好、低噪聲、低功耗等特點，其所構(gòu)成的放大電路有著獨特的優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。3.3.1場效應(yīng)管放大電路的偏置及靜態(tài)分析

場效應(yīng)管是一個電壓控制器件，在構(gòu)成放大電路時，為了實現(xiàn)信號不失真的放大，同三極管放大電路一樣也要有一個合適的靜態(tài)工作點Q，但它不需要偏置電流，而是需要一個合適的柵源極偏置電壓UGS。場效應(yīng)管放大電路常用的偏置電路主要有兩種：自偏壓電路和分壓式自偏壓電路。1、自偏壓式電路

自偏壓放大電路只適用于結(jié)型場效應(yīng)管或耗盡型MOS管組成的電路。由于這兩種管子即使是UGS=0，也有漏極電流ID流過管子，所以在該電路中，F(xiàn)ET的源極接入一只源極電阻RS后，IDQ流過它時將產(chǎn)生一個大小等于IDQRS的電壓降。柵源偏置電壓UGSQ=UG－US=－IDQRS。電路自行產(chǎn)生了一個負(fù)的偏置電壓UGSQ，剛好能滿足電路中場效應(yīng)管工作于放大區(qū)時對UGS的要求。UGSQ=－IDQRSUDSQ=UDD－IDQ（RS+RD）

注意：當(dāng)求得的Q點值滿足時，F(xiàn)ET工作于放大區(qū)，所求得的Q點值為電路的靜態(tài)工作點；否則表明電路中的FET沒有工作在放大區(qū)，所求得的Q點值沒有意義。

【解】由JFET的伏安特性易知

UGSQ=－IDQ*1kΩ

聯(lián)解上面兩式，可求得IDQ=2.9mA、UGSQ=―2.9V進而可知UDSQ=UDD－IDQ（RS+RD）=18.4V例3.1由JFET構(gòu)成的放大電路的直流通路如圖所示。其中UDD=30V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ，F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS（off）=―8V。試求IDQ、UGSQ和UDSQ。

2、分壓式電路

分壓式偏置電路如圖所示，這種偏置方式既適用于增強型FET，也適用于耗盡型FET。以N溝道FET為例，這種偏置電路由于有RG1和RG2的分壓，提高了柵極電位，使UGQ>0，這樣既有可能使IDQRS>UGQ，滿足N溝道JFET對UGSQ的要求（UGSQ<0）；