第三章-場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法1場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：共源（CS）、共柵（CG）、共漏（CD）三種組態(tài)放大器的分析方法，靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置。難點(diǎn)：結(jié)型和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理場(chǎng)效應(yīng)管放大電路N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)分類：耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道3.1場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的三極管，稱為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；

輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。3.1.1絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖3.1

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖SGDB符號(hào)2.工作原理

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS

來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0

漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖3.2(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型襯底中的電子被吸引靠近SiO2

與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS

耗盡層變寬。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)

為開(kāi)始形成反型層所需的UGS，稱開(kāi)啟電壓。(4)

UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID

。b.UDS=UGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UGS(th)，即UGD=UGS–UDS>UGS(th)P型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖3.3

UDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)UGS<UGS(th)，ID=0；UGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UGS(th)

時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖3.4(a)圖3.4(b)二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID

減??；

UGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID

0。UGS(off)

稱為夾斷電壓圖3.5N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS

正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖3.7

MOS管的符號(hào)SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖3.6特性曲線DSGN符號(hào)3.1.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖3.7

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖3.8

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS二、工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來(lái)控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。

1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UGS(off)

為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG

2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負(fù)電源VGG，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID

。UGS=0，UDG<，ID

較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UGS(off),UDG>|UGS(off)|,ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)

改變UGS，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了ID

，故稱場(chǎng)效應(yīng)管或電壓控控元件；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUGS（off）圖3.10轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈負(fù)，ID愈?。籙GS=UP，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS（off)(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖3.9特性曲線測(cè)試電路+mA1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖3.11轉(zhuǎn)移特性2.漏極特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS

的關(guān)系，即

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖3.12特性曲線測(cè)試電路+mA圖3.13(b)漏極特性場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖3.14在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性綜上分析可知

溝道中只有一種類型的多子參與導(dǎo)電，

所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制預(yù)夾斷前iD隨vDS增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。{end}

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問(wèn)題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+各類場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性u(píng)GS=0可工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＞0才工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＜0才工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？

不同F(xiàn)ET類型對(duì)偏置電壓的要求PMOS雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件；2.柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；3.一種極性的載流子導(dǎo)電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；4.制造工藝簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模集成；5.跨導(dǎo)較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)

IDSS是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù),它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓UGS等于零,而漏、源之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。

3.3.1直流參數(shù)1.飽和漏極電流IDSS

2.夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù),其定義為當(dāng)UDS一定時(shí),使ID減小到某一個(gè)微小電流(如1μA,50μA)時(shí)所需的UGS值。

UT是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù),它的定義是當(dāng)UDS一定時(shí),漏極電流ID達(dá)到某一數(shù)值(例如10μA)時(shí)所需加的UGS值。

3.開(kāi)啟電壓UT

4.直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。由于柵極幾乎不索取電流,因此輸入電阻很高。結(jié)型為106Ω以上,MOS管可達(dá)1010Ω以上。3.3.2交流參數(shù)

跨導(dǎo)gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。1.低頻跨導(dǎo)gm

2.極間電容

場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的電容,包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小,則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)pF。3.3.3極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDmPDm與ID、UDS有如下關(guān)系:

這部分功率將轉(zhuǎn)化為熱能,使管子的溫度升高。PDm決定于場(chǎng)效應(yīng)管允許的最高溫升。

2.漏、源間擊穿電壓BUDS

在場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線上,當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。工作時(shí)外加在漏、源之間的電壓不得超過(guò)此值。3.柵源間擊穿電壓BUGS結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí),柵、源之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài),若UGS過(guò)高,PN結(jié)將被擊穿。三種基本組態(tài)：共源(CS)、共漏(CD)和共柵(CG)場(chǎng)效應(yīng)管組成放大電路的原則和方法與三極管相同：為使場(chǎng)效應(yīng)管正常工作，各電極間必須加上合適的偏置電壓；為了實(shí)現(xiàn)不失真放大，也同樣需要設(shè)置合適且穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，只需提供柵偏壓，而不需要提供柵極電流，所以它的偏置電路有其自身的特點(diǎn)。二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1）基本共源極放大電路圖3.15共源極放大電路原理電路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD與雙極型三極管對(duì)應(yīng)關(guān)系bG,eS,cD為了使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：圖示電路為N溝道增強(qiáng)型MOS

場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路。(UT：開(kāi)啟電壓)一、靜態(tài)分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD圖3.15共源極放大電路原理電路兩種方法近似估算法圖解法(一)

近似估算法

MOS管柵極電流為零，當(dāng)uI=0時(shí)UGSQ=VGG而iD

與uGS

之間近似滿足(當(dāng)uGS>UT)式中

IDO為uGS=2UT時(shí)的值。則靜態(tài)漏極電流為

(二)

圖解法圖3.7.4用圖解法分析共源極放大電路的Q

點(diǎn)VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD

畫(huà)出直流負(fù)載線。圖中IDQ、UDSQ

即為靜態(tài)值。圖3.16場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路2.自給偏壓電路由正電源獲得負(fù)偏壓稱為自給偏壓哪種場(chǎng)效應(yīng)管能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點(diǎn)？+VDDuOuIRgRdRsRL

圖3.17分壓偏置式共源放大電路3分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根據(jù)輸入回路列方程圖3.17分壓-自偏式共源放大電路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解聯(lián)立方程求出UGSQ

和IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路列輸出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)圖解法由式可做出一條直線，另外，iD與uGS之間滿足轉(zhuǎn)移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)。確定UGSQ，IDQ

。根據(jù)漏極回路方程在漏極特性曲線上做直流負(fù)載線，與uGS=UGSQ

的交點(diǎn)確定Q，由Q確定UDSQ

和IDQ值。UDSQuDS=VDD–iD(RD+RS)3uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ圖3.18用圖解法分析圖3.17電路的Q

點(diǎn)【例1】已知VDD=18V，Rs=1kΩ，Rd=3kΩ，Rg=3MΩ，耗盡型MOS管的VP=-5V，IDSS=10mA。試用估算法求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。解：不合題意，舍去。【例2】解：柵極回路有:

設(shè)VDD=15V，Rd=5kΩ，Rs=2.5kΩ，R1=200kΩ，R2=300kΩ，Rg=10MΩ，RL=5kΩ，并設(shè)電容C1、C2和Cs足夠大。試用圖解法分析靜態(tài)工作點(diǎn)Q，估算Q點(diǎn)上場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm。由圖可得VGSQ=3.5V，IDQ=1mA。由轉(zhuǎn)移特性得:開(kāi)啟電壓VT=2V；當(dāng)VGS=2VT=4V時(shí)，ID=IDO=1.9mA。由圖可求得靜態(tài)時(shí)的VDSQ=7.5V。輸出回路列出直流負(fù)載線方程：VDS