模电第05章场效应管放大电路(康华光)-1

场效应管放大电路
重点： 1.掌握场效应管的工作原理、特性曲线； 2.学会判断场效应管的工作状态； 3.掌握场效应管放大电路(特别是结型场效应管 JFET放大电路)的分析方法。
第五章
场效应管简介
——场效应管(Field Effect Transistor，简称FET) BJT(三极管)是一种电流控制元件(iB~ iC)。工作时，多数载流子和少数载流子都 参与运行，所以能耗大，温度特性差。 FET是一种电压控制器件(vGS~ iD)。它 的输出电流决定于输入电压的大小，基本 上不需要信号源提供电流，所以它能耗小， 输入电阻高，且温度稳定性好。
（1-13）
三.耗尽型N沟道绝缘栅场效应管
如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗 尽型场效应管。 1.结构 SiO2绝缘层中 掺有正离子 2.符号 D
G
感应出N型 导电沟道 S
（1-14）
3.耗尽型N沟道MOSFET的放大原理 共源极接法的接线：
经实验证明:
d + iD
vGS (1)栅极电流ig≈0 (2)当栅源电压vGS变化, 漏源电压vDS =constant>0时: vGS ≤VP (夹断电压,VP＜0) :漏极电流iD=0
VGS= 2V VGS=VT
截止区
VDS/V
（1-10）
(2)可变电阻区(vDS ≤vGS-VT区域) 可变电阻区 判断:vDS ≤vGS-VT且vGS >VT 特点:rds 是一个受vGS 控制的可变电阻 ID/mA vGS越大, rds越小。
当VGS 足够大(如:vGS ＝vCC)时 场效应管D~S端相当于: 一个接通的开关。
1、直流参数 (1)直流输入电阻RGS ——栅源间的等效电阻。由于MOS 管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达109～1015。 (2) 开启电压 VT ：——增强型MOS管的参数 (3) 夹断电压 VP ： (4) 饱和漏电流 IDSS: ——结型和耗尽型MOS管的参数 2、交流参数
– +
源极 s
VCC
-
– + vGS
g 栅极-
漏极d
-
N+
N+
P衬底
b衬底 b
N型导电沟道
（1-6）
(2)当vDS变化, 栅源电压vGS =constant>VT时 VCC 若vDS沟道产生电位梯度 – + 靠近漏极d处的电位高, 电场 g 漏极d 源极 s 栅极强度小, 沟道薄。靠近源极s处 - – + vGS 的电位低, 电场强度大, 沟道厚。 整个沟道呈楔形分布。 此时, vDS iD 当vDS增加到使vDS =(vGS -VT )时， 在紧靠漏极处出现预夹断。 在预夹断处： vDS =(vGS -VT ) 预夹断后，vDS夹断区延长 沟道电阻iD基本不变
RD + vCC -
一个受vGS控制的恒流源
恒流区 饱和区 =4V VGS VGS=2V VGS=0
VGS= -2V VGS= -4V VGS= VP
4 8 12 16 20 V DS /V
（1-21）
四.耗尽型P沟道绝缘栅场效应管
1、结构 SiO2绝缘层中 掺有负离子
2、符号 D
G 感应出P型 导电沟道 S
d +
iD
vGS -
vDS g + ig s -
RD 16 12 + vCC 8 4
0
4 8 12 16 20 V DS /V
截止区
夹断电压 VP——结型和耗尽型MOS管的固定参数 注意：VP ＜0 由于栅极G与D、B、S是绝缘的，栅极电流ig≈0
（1-18）
6.工作区域的特点及其工作区域判断 (1)截止区 判断：VGS ＜VP 特点： iD＝0 这时场效应管D 、S端相当于: 一个断开的开关。 ID/mA
d + iD
VGS= 6V VGS= 5V VGS= 4V VGS= 3V VGS= 2V VGS=VT
g
+ vGS -
vDS
ig s -
RD + vCC -
VDS/V
（1-11）
(3)恒流区(饱和区,相当于BJT放大区) 判断: VDS ≥vGS-VT 且VGS ＞VT ID/mA 特点: vDS＝vCC -iDRD iD=Kn (vGS-VT )2 可见:若vGS恒定, 则iD恒定 ——恒流源特点 这时场效应管D~S端相当于: 一个受vGS控制的恒流源 d + iD
开启电压VT
VGS/
有导电沟道
曲线上某点的斜率：
gm Δ ID Δ VGS
VDS
类似三极管的 , 表示在恒流区工作时vGS对iD的控制能力 （1-8）
iD v GS
v DS
——低频跨导, 参数之一
(2)漏极特性曲线(iD vDS/vGS= constant >VT)
(类似输出特性曲线)
N+ N+
P衬底
b衬底 b
(3)由于栅极G与D、B、S是绝缘的，栅极电流ig≈0 输入电阻：ri＝vGS/ig ，很高，最高可达1014 。
（1-7）
5、特性曲线 (1)转移特性曲线(iD vGS/vDS=constant) VDS d + iD
g
+ vGS -
vDS
ig s -
RD + vCC 无导电沟道
vDS g + ig s -
RD + vCC -
vGS >VP: vGS 越大, iD越大——互导放大作用
(3)当漏源电压VDS变化, 栅源电压vGS =constant>VP时: 0< vDS <(vGS -VP ) : vDS越大, iD越大 vDS>(vGS-VP ):vDS越大,iD恒定,且iD=IDSS(1-vGS/VP )2
可变电阻区
vDS =vGS-VT 预夹断轨迹
d + iD g + vDS
ID/mA RD + vCC -
恒流区 饱和区 VGS= 6V VGS= 5V VGS= 4V VGS= 3V
vGS -
ig s -
VGS= 2V VGS=VT
截止区
VDS/V
开启电压VT——增强型MOS管的固定参数 注意：VT>0
分析方法与N沟道耗尽型相同，只不过须将所有的 电压电流方向、大于小于号方向反过来。 其特性曲线如P237所示。
（1-22）
绝缘栅场效应管总结
增强型 D 耗尽型 D D D
G S
G
S
G
S
G
S
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
G、S之间加一定 电压才形成导电沟道
在制造时就具有 原始导电沟道
（1-23）
五、绝缘栅场效应管的主要参数
b衬底 b s g d
（1-5）
若0≤vGS≤VT(开启电压) : 栅极g 与P区之间产生电场, 但d~s之间仍是两个背靠背的 PN结, 总有一个PN结截止, 即使 d~s间加正向电压,仍然没有电 流产生, iD=0 。 若vGS >VT: 纵向电场足够大→将P区少 子电子聚集到P区表面→形成 导电沟道。 当d~s间加电压后,将有漏极 电流id产生。 vGS愈高，导电沟道愈 宽，相同vDS条件下id越大。
（1-15）
4.耗尽型N沟道MOSFET的内部微观原理 (1)当vGS变化, vDS =constant>0时 由于制造时已经形成了沟道，所以在vGS=0时,若漏– 源之间加上一定的电压vDS,也会有漏极电流 ID 产生。 当VGS>0时,导电沟道变宽,ID增大; 当VGS<0时,使导电沟道变窄,ID减 小;VGS负值愈高,沟道愈窄,ID就愈小。 当VGS(=夹断电压VP) 达到一定负值 时,N型导电沟道消失, ID=0, 称为场 效应管截止。 (2)当vDS变化, vGS =constant>VP时 若vDS整个沟道呈楔形分布。此时若vDS iD 当vDS增加到使vDS =(vGS -VP )时,在紧靠D处出现预夹断。 预夹断后,vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变。
16 d +
VGS=4V
iD
vGS -
vDS g + ig s -
RD + vCC -
12
8
VGS=2V VGS=0
VGS= -2V VGS= -4V VGS= VP
4
0
4 8 12 16 20 V DS /V
截止区
（1-19）
(2)可变电阻区
判断： VGS ≥VP , VDS≤vGS-VP 特点:rds 是一个受vGS 控制的可变电阻 vGS越大, rds越小。 当VGS 足够大(如:vGS＝0~vCC)时 可变电阻区 场效应管D~S端相当于: ID/mA VGS=4V 一个接通的开关。 16 VGS=2V VGS=0 d + iD RD 12 VGS= -2V + 8 vDS g VGS= -4V vCC + ig s 4 VGS= VP vGS 0 4 8 12 16 20 V DS /V -
1.结构
源极 s
2、符号 d g
金属电极 耗尽层 (PN结)
-
g 栅极-
漏极d
- SiO2绝缘层
N+Leabharlann Baidu
N+
b s
P型硅衬底
P衬底
衬底 b
-
高掺杂N区
（1-3）
3.增强型N沟道MOSFET的放大原理 共源极接法的接线： 经实验证明: (1)栅极电流ig≈0 由于栅极是绝缘的,GS之 间输入电阻很高,最高可达 1014,因此栅极电流ig≈0 。 g + vGS -
（1-20）
(3)恒流区(饱和区、放大区) 判断: VGS ≥VP , VDS ≥vGS-VP 特点: vDS＝vCC -iDRD
d + iD vDS g + ig s -
iD =IDSS(1-vGS /VP)2
可见： 若vGS恒定, 则iD恒定 ——恒流源特点 这时场效应管D~S端相当于:
vGS ID/mA 16 12 8 4 0
N沟道 增强型 P沟道 绝缘栅场效应管 耗尽型 N沟道 P沟道 结型场效应管 N沟道 P沟道
FET分类:
（1-2）
§5.1 金属-氧化物-半导体场效应管
——MOS场效应管、绝缘栅场效应管: Metal Oxide Semiconductor FET, 简称MOSFET
一 .增强型N沟道绝缘栅场效应管
4.增强型N沟道MOSFET的内部微观原理
– +
– + vGS
g 栅极漏极d
VCC
d
g
+
vGS -
ig s
+ vDS -
iD + VCC -
源极 s
-
-
N+
N+
P衬底
(1)当vGS变化,漏源电压vDS=常数>0时 若栅源电压vGS≤0： 由图可见, 漏极d和源极s之 间是两个背靠背的PN结, 总有 一个PN结反向偏置, d~s之间不 通, iD=0 。
（1-16）
5、特性曲线 (1)转移特性曲线(iD vGS/vDS=constant) 耗尽型的MOS管VGS= 0时就有导电沟道，加反向电 压到一定值时才能夹断。 ID/mA d + iD
vGS -
vDS g + ig s -
RD + vCC -
夹断电压 IDSS
16 12 8 4
饱和漏 极电流
d
ig s
+ vDS -
iD + VCC -
(2)当栅源电压vGS变化, 漏源电压vDS =constant>0时 若vGS ≤VT (开启电压) :漏极电流iD=0 若vGS >VT: vGS 越大, iD越大——互导放大作用 (3)当漏源电压VDS变化, 栅源电压vGS =constant>VT时 若vDS=0: iD=0 若0< vDS <(vGS -VT ) : vDS越大, iD越大 若vDS >(vGS -VT ):vDS 越大, iD基本不变,且iD=Kn (vGS-VT（1-4） )2
（1-9）
6.工作区域的特点及其工作区域判断
(1)截止区(vGS ＜VT区域)
判断：vGS ＜VT 特点： iD＝0 这时场效应管D 、S端相当于: 一个断开的开关。 ID/mA
VGS= 6V VGS= 5V VGS= 4V VGS= 3V
d + iD
g vDS
+
vGS -
ig s -
RD + vCC -
恒流区 饱和区 VGS= 6V VGS= 5V
VGS= 4V VGS= 3V VGS= 2V VGS=VT
VDS/V
g
+ vGS -
vDS
ig s -
RD + vCC （1-12）
二 .增强型P沟道绝缘栅场效应管
1.结构 2、符号 D
P+
N型衬底
P+
G
S
3.增强型P沟道MOSFET的放大原理 分析方法与增强型N沟道相同，只不过须将所有的 电压电流方向、大于小于号方向反过来。 其特性曲线如P237所示。
VGS /V VP -3 –2 –1 0 1 2
曲线上某点的斜率：
gm Δ ID Δ VGS
VDS
iD v GS
v DS
——低频跨导, 参数之一
（1-17）
(2)漏极特性曲线(iD vDS/vGS=constant >VP)
(输出特性曲线)
可变电阻区
ID/mA
预夹断轨迹: vDS =vGS-VP VGS=4V VGS=2V VGS=0 VGS= -2V VGS= -4V VGS= VP 恒流区 饱和区