5.場效應(yīng)管放大電路

2)金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFETri1015一、普通晶體管：輸入阻抗低ce

rbe

幾百～幾千∵是電流控制,be正偏,ri必然低。1)結(jié)型JFETri106～109

二、場效應(yīng)管為提高ricc,自舉,一M,(將Re折合到基極)5.

場效應(yīng)管放大電路5．1金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）JFET問題：直流輸入電阻為PN結(jié)反向電阻，反偏時(shí)有反向電流，難以進(jìn)一步提高。耗盡型(D)：絕緣層中的離子自己感應(yīng)溝道。VP夾斷電壓，類似JFET但VGS可正、可負(fù)。（VGS=0，iD≠0）增強(qiáng)型(E)：外施柵壓才感生溝道，VT開啟電壓（即VGS=0，

iD=0，VGS﹥0。才有iD）分為N溝道和P溝道，每種又分為增強(qiáng)型、耗盡型。MOSFET：工藝簡單，集成度高，柵極絕緣。rgs更高，1015增強(qiáng)型N溝道MOSFET

(MetalOxideSemi—FET)1.結(jié)構(gòu)與符號(hào)P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴(kuò)散的方法制作兩個(gè)N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB5．1．1N溝道增強(qiáng)型MOSFET（2）VGS為正：柵和襯底P和絕緣體形成電場→使得P襯底靠近柵極空穴向P內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而留下負(fù)離子，少子電子向柵極運(yùn)動(dòng)，當(dāng)VGS達(dá)一定值，在柵極附近P型硅表面形成N型薄層。（反型層）連接兩個(gè)N+→導(dǎo)電溝道感生溝道（由VGS產(chǎn)生）

VGS越正，溝道越寬，電阻越小。開啟電壓VT，在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)的VGS。解釋如下：實(shí)際在VGS很小時(shí)，電場只在靠近柵極表面感應(yīng)出很少的電子，和正離子結(jié)合，仍無導(dǎo)電溝道形成，必須使VGS﹥VT后，才形成感生溝道。2．

工作原理：柵源電壓VGS→感生電荷—iD。（1）VGS=0，不論VDS極性,兩個(gè)PN結(jié)總有一反偏iD=0當(dāng)VGS﹥VT：VDS加在d+s-

由d到s電位梯度受反壓不一樣，溝道厚薄，靠s厚，靠d薄。VDS上升→iD↑VDS再上升，夾斷iD飽和

DS間的電位差使溝道呈楔形，VDS

，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預(yù)夾斷：漏極附近反型層消失。預(yù)夾斷發(fā)生之前：VDS

iD

。預(yù)夾斷發(fā)生之后：VDS

iD不變。3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程

輸出特性及大信號(hào)特性方程

iD=f（VDS）∣VGS=C恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)①截止區(qū)vGS<VT，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0②可變電阻區(qū)(線性區(qū)）vDS

≤vGS-VT其中：當(dāng)vDS

很?。寒?dāng)vGS一定,原點(diǎn)附近輸出電阻rdso；受vGS控制電導(dǎo)常數(shù)③飽和區(qū)（恒流區(qū)或放大區(qū)）當(dāng)vGS≥VT,且vDS

≥vGS-VT時(shí)，進(jìn)入飽和區(qū)，iD不隨vDS

變化。將vDS

=vGS-VT代入有是VGS=2VT時(shí)的iD可從輸出特性直接獲取,方法為在輸出特性曲線上,令VDS=某值,作一直線，與輸出特性各交點(diǎn)取VGS。（2）.轉(zhuǎn)移特性iD=f（vGS）∣vDS=C

圖5.1.4求出或由開啟電壓耗盡型vGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道已存在，結(jié)構(gòu)：二氧化硅中摻入大量正離子

vGS=0時(shí)也存在感應(yīng)溝道。

vGS變負(fù)，漏電流變小。特點(diǎn)：vGS可正可負(fù)且無柵流。

5．1．2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理增強(qiáng)型vGS﹥VT導(dǎo)電溝道2.V-A特性曲線及大信號(hào)特性方程

可變電阻區(qū)當(dāng)vDS

很?。猴柡蛥^(qū):預(yù)夾斷點(diǎn)有vDS

=vGS-vP代入

vGS=0時(shí)5.1.3P溝道MOSFET增強(qiáng)型耗盡型SGDBSGDB5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)當(dāng)MOSFET工作在飽和區(qū)時(shí)，在某一vGS時(shí)，vDS增加，iD略增加，輸出特性曲線略上翹。用溝道長度調(diào)制參數(shù)λ對(duì)對(duì)典型器件L長度單位：μm修正。

5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)2）

夾斷電壓VP：VGS=0，－VDS=VGD=VP

實(shí)測時(shí)讓VDS=C（10V），iD

微小電流，VGS所加電壓1）開啟電壓VT：MOS增強(qiáng)型參數(shù)，VDS=C（10V），

iD

微小電流時(shí)，VGS所加電壓3）

飽和漏電流IDSS：VGS=0，VDS﹥∣VP∣時(shí)漏極電流（最大電流）通常VDS=10V，VGS=0時(shí)的iD，轉(zhuǎn)移特性上VGS=0時(shí)的iD4）

直流輸入電阻RGS

：漏源短路，柵源加電壓時(shí)柵源直流電阻二、交流參數(shù)1）輸出電阻rds:某一vGS時(shí)輸出特性上某點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)反映vDS對(duì)iD的影響，通常為幾十～幾百千歐2）低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）gm：gm=轉(zhuǎn)移特性斜率，反映VGS對(duì)iD的控制能力.單位：西門子S三、極限參數(shù)3)最大漏源電壓V（BR）DS:雪崩擊穿，iD急劇上升時(shí)的VDSVGS愈負(fù)，V（BR）DS越小4)最大柵源電壓V（BR）GS:柵源反向電流開始急劇增加時(shí)VGS值1)最大漏極電流IDM：正常工作時(shí)漏極電流的上限。2）最大耗散功率PDM：PDM=vDS

iD,

受管子最高工作溫度限制。近似估算：單位：西門子S5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算(1)簡單的共源極放大電路直流工作點(diǎn)：飽和區(qū)否則可變電阻區(qū)有：分壓式直流偏置例5.2.1Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V,Kn=0.2mA/V2求：IDQ,VDSQ解：設(shè)工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)①設(shè)工作在飽和區(qū)有VGSQ>VT,IDQ>0,②利用飽和區(qū)的電流-電壓關(guān)系曲線分析電路③若VGSQ<VT,管子可能截止，若管子可能工作在可變電阻區(qū)。④若假設(shè)錯(cuò)誤，作新假設(shè)，重新分析靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算補(bǔ)：自偏壓：柵極回路基本無電流（rgs很大）注意：增強(qiáng)型管Vgs必須達(dá)VT才有ID，因此不能使用該電路。（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路例5.2.2Rd=10K，VDD=5V，ID=0.5mA,VT=1V,Kn=500μA/V2,R=0.5K,-VSS=-5V若流過Rg1，Rg2電流是ID的1/10求：Rg1，Rg2。解:有

取標(biāo)準(zhǔn)電阻工作在飽和區(qū)2.圖解分析輸出的直流負(fù)載線vDS=VDD—iDRd令vi=0有vGS=VGSQ=VGGvDS=0iD=VDD/RdiD=0vDS=VDD固定偏壓設(shè)交流負(fù)載線與直流負(fù)載線重合①輸出的直流負(fù)載線VDS=VDD—ID（Rd+R）②轉(zhuǎn)移特性：根據(jù)直流負(fù)載線與輸出特性交點(diǎn)畫出③源極負(fù)載線：

④在輸出特性上找到VGSQ的曲線和直流負(fù)載線交點(diǎn)Q，VDSQ轉(zhuǎn)移特性和源極負(fù)載線交點(diǎn)Q:IDSQ,VGSQ圖解法：FET輸出特性→直流負(fù)載線→交點(diǎn)→轉(zhuǎn)移特性→源極負(fù)載線→交點(diǎn)Q得到VGSQ，IDQ，再根據(jù)VGSQ作出特性iD=（VDS）∣VGSQ與直流負(fù)載線交點(diǎn)VDS

固定偏壓分壓式直流偏置3.小信號(hào)模型分析iD=f（vGS，vDS）id=gmvgs+vdS/rds其中也可高頻小信號(hào)模型反相放大器源極輸出器Av≈1

5.3.結(jié)型場效應(yīng)管（JunctiontypeFieldEffectTransistor)5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.

結(jié)構(gòu)擴(kuò)散的另一材料兩邊連在一起形成柵極g，形成兩個(gè)PN結(jié),兩個(gè)耗盡層之間形成導(dǎo)電溝道。g—bs—ed—c本體P：擴(kuò)散N+P溝道本體N：擴(kuò)散P+N溝道本體材料兩端：漏極d，源極S∣VP∣：夾斷電壓，漏、源間電阻趨于無窮時(shí)柵源電壓（溝道封死時(shí)的VGS）1)VGS對(duì)iD的控制當(dāng)VDS=0，∣VGS∣↑（變負(fù)），PN結(jié)反偏，耗盡層寬度↑，導(dǎo)電溝道寬度↓，溝道電阻↑。

2.

工作原理：利用PN結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度控制,改變導(dǎo)電溝道寬窄,進(jìn)而控制電流大小。討論VGS對(duì)iD的控制作用以及VDS對(duì)iD的影響,以N溝道為例。由于PN結(jié)反偏，G、S間無電流，ri高當(dāng)∣VGS∣=VP，溝道夾斷。所以VGS控制溝道電阻.當(dāng)VGS=0：VDS↑,iD↑當(dāng)VDS到VP,

溝道預(yù)夾斷，此時(shí)VGD=－VDS=VP

預(yù)夾斷后，隨VDS↑，夾斷處場強(qiáng)↑，仍能將電子拉過夾斷區(qū)形成漏極電流，iD趨于飽和③夾斷前iD、VDS近似線性，夾斷后，iD趨于飽和②電壓控制器件，VGS控制iD①柵源之間PN結(jié)反偏，iG≈0，輸入阻抗高結(jié)論：當(dāng)VGS≠0：VGD=VGS－VDS=VP，在同樣的VDS下，iD下降2）VDS對(duì)iD的影響VDS在溝道中產(chǎn)生電位梯度

VGS大小→耗盡層寬度→導(dǎo)電溝道寬度→iD大小

VDS?。篿D上升5．3．2JFET的特性曲線及參數(shù)vGS<VP，iD=0VDS大：→電位梯度使導(dǎo)電溝道成楔型→iD上升受阻，預(yù)夾斷后，iD趨于飽和Ⅲ飽和區(qū)(恒流區(qū))(線性放大區(qū))vDS大,電場將少量電子拉過夾斷區(qū)Ⅱ可變電阻區(qū)(線性區(qū)）vDS=0或vDS小Ⅰ截止區(qū)(夾斷區(qū))三個(gè)區(qū)給定一vGS,改變vDS得到一iD曲線1．輸出特性

iD=f（vDS）∣vGS=C

可從輸出特性直接獲取,方法為改變vGS得一族輸出曲線,令VDS=某值,取各vGS

或iD=IDSS(1－)2IDSS：飽和漏電流2.轉(zhuǎn)移特性iD=f（vGS）∣vDS=c圖5.3.63.主要參數(shù)同MOS管4．P溝道JFETVDS為負(fù)，即d接負(fù)，s接正，假定iD方向流入d端，傳輸特性如圖。5．3．3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法

1、

JFET的小信號(hào)模型2．應(yīng)用小信號(hào)模型分析JFET放大電路Av，Ri，Ro1）共源放大器

無源極旁路電容C：Vo=－gmVgsrdRL’/(R+rd+R’L)Vi=Vgs+gmVgsrdR/(R+rd+R’L)由于rd＞＞R，且rd＞＞RL’所以Ri=[Rg3+（Rg1//Rg2）]//rgS≈Rg3+（Rg1+Rg2）≈Rg3由于Vgs=Vi所以Vo=－gmVgs（Rd//rd）

=－gmVi（Rd//rd）RO=Rd//rd≈Rd

當(dāng)有源極旁路電容C：Ro≈RdRi≈Rg3源極旁路電容提高了AvAv=Vo/Vi=－gm（Rd//rd）≈－gmRd

P232例5.3.1Rg1=2M，Rg2=47K，Rg3=10MRd=30K，R=2K，VDD=18V，VP=—1V，IDSS=0．5mA,,確定Q點(diǎn)

iD=0．5mA（1+0．4—2iD）2VGS=(0.4－2iD)iD=（０．９５±０．６４）mA

ＶDSQ＝ＶDD－ID（Rd+R）=8．1VＶＧＳ＝ＶＧＳＱ＝０．４－2iD=—0．22V所以ｉD=IDQ=0．31mA由于ＩＤＳＳ＝0．5ｍＡ，iD不應(yīng)大于IDSS

例1．Rg1=2M，Rg2=47K，Rg3=10M，Rd=30K，R=2K，VDD=18V，C=10μfgm=0．7mS，rd=200KRL=∞解：Rd//rd=26KAv=－gm（Rd//rd）=－0．7×26=－18Ri≈Rg3=10MRo=Rd//rd=26K5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管砷化鎵(CaAs)：鎵(III族）+砷(V族)組成單晶化合物。特性類似硅，其最大差別為電子遷移率是硅的5-10倍。器件轉(zhuǎn)換速度高。N溝道MESFET：耗盡型器件，所加電壓同結(jié)型FET，vGS為負(fù),夾斷電壓VP①截止區(qū)②可變電阻區(qū)(線性區(qū)）(vGS<VP)vGS<VT，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0(vDS

≤vGS-VT)③飽和區(qū)（恒流區(qū)或放大區(qū)）(vDS

>vGS-VP時(shí))

5．5．1各種FET特性比較使用注意事項(xiàng)

輸出特性：VDS原則：保證PN結(jié)反偏（襯底和溝道性質(zhì)相反，P襯底