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资源描述
3 场效应晶体管及其放大电路,三极管的主要特点:,1. 电流控制型器件。,2. 输入电流大,输入电阻小。,3. 两种极型的载流子都参与导电,又称为双极型晶体管,简称BJT(Bipolar Junction Transistor)。,场效应管,简称FET(Field Effect Transistor ),其主要特点:,(a) 输入电阻高,可达107 1015W。,(b) 起导电作用的是多数(一种)载流子,又称为单极型晶体管。,(c) 体积小、重量轻、耗电省、寿命长。,(d) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。,(e) 在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。,1. 结型场效应管,简称JFET (Junction Field Effect Transistor),场效应管按结构可分为:,场效应管的类型:,2. 绝缘栅型场效应管,简称IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor),3.1 结型场效应管,3.1.1 结型场效应管的结构和类型,N沟道JFET结构示意图,N,P+,P+,形成SiO2保护层,以N型半导体作衬底,漏极D(drine),源极S(source),栅极G(gate),N型导电沟道,符号,称为N沟道JFET,符号,P沟道JFET结构示意图,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,结型场效应管分,3.1.2 结型场效应管的工作原理,电路图,1uDS=0时,uGS对沟道的控制作用,a当uGS=0时,沟道无变化,bUGS(off)uGS0,P+,+,(a) PN结加宽,(b) PN结主要向N区扩展,(c) 导电沟道变窄,(c) 导电沟道电阻增大,P+,P+,(a) PN结合拢,(b) 导电沟道夹断,c 0 uGS=UGS(off),+,当uDS=0时,uGS对沟道的控制作用动画演示,2当uGS =0时,uDS对沟道的控制作用,a0uDS|UGS(off)|,(b) 沿沟道有电位梯度,(c)沿沟道PN结反偏电压不同,(a) 漏极电流iD0 uDS增大,iD增大。,uDS,(d)沟道PN结呈楔形,P+,buDS=|UGS(off)|,(a) iD达到最大值,(b) 沟道点夹断(预夹断),cuDS|UGS(off)|,(a) iD达到最大值 几乎不随uDS的增大而变化,(b) 沟道夹断区延长,当uGS =0时,uDS对沟道的控制作用动画演示,3当uDS 0时,uGS(0)对沟道的控制作用,a. uDS和uGS将一起改变沟道的宽度,c.当uDG= | UGS(off) | 时,沟道出现予夹断。此时,uDS=|UGS(off)| + uGS,b.PN结在漏极端的反偏电压最大。 uDG= uDS-uGS,uDS 、uGS共同对沟道的控制作用动画演示,(1)JFET是利用uGS 所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小,,(2)场效应管为一个电压控制型的器件。,(3) 在N沟道JFET中,uGS和UGS(off)均为负值。,小结:,在P沟道JFET中,uGS和UGS(off)均为正值。,即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小,因而称为场效应管。,3.1.3 结型场效应管的伏安特性,在正常情况下,iG =0,管子无输入特性。,1输出特性(漏极特性),特性曲线,可 变 电 阻 区,放大区,截止区,可 变 电 阻 区,(1) 可变电阻区,a. uDS较小,沟道尚未夹断,b. uDS |UGS(off)| + uGS,c. 管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点:,放大区,(2) 放大区,放大区也称为饱和区、恒流区。,b. uDS |UGS(off)| + uGS,a. 沟道予夹断,c. iD几乎与uDS无关。,d. iD只受uGS的控制。,截止区,a. uGSUGS(off),(3) 截止区,b.沟道完全夹断,c. iD0,2转移特性,表示场效应管的uGS对iD的控制特性。,定义,转移特性曲线可由输出特性曲线得到,(1)对于不同的uDS,所对应的转移特性曲线不同。,曲线特点:,(2)当管子工作于恒流区时,转移特性曲线基本重合。,当管子工作于恒流区时,称为零偏漏极电流,3.1.4 结型场效应管的主要电参数,1直流参数,(3) 直流输入电阻RGS,(1) 夹断电压UGS(off),(2) 零偏漏极电流IDSS (也称为漏极饱和电流),2交流参数,(1) 跨导gm 也称为互导。其定义为:,当管子工作在放大区时,得管子的跨导,由,可见,gm与IDQ有关。IDQ越大,gm也就越大。,3. 极限参数,(1) 漏极最大允许耗散功率 PDSM,(2) 最大漏极电流IDSM,(2) 极间电容,栅源电容Cgs,栅漏电容Cgd,漏源电容Cds,(3) 栅源击穿电压U(BR)GS,(4) 漏源击穿电压U(BR)DS,例 在图示电路中,已知场效应管的 ;问在下列三种情况下,管子分别工作在那个区?,(b),(c),(a),解(a)因为uGSUGS(off) , 管子工作在截止区。,(b)因,管子工作在放大区。,(c)因这时的,管子工作在可变电阻区。,3.2 绝缘栅型场效应管,N沟道,IGFET,耗尽型,增强型,P沟道,N沟道,P沟道,绝缘栅型场效应管的类别,3.2.1 增强型绝缘栅场效应管,1. 结构示意图,P,N+,S,G,D,N+,以P型半导体作衬底,SiO2保护层,引出栅极,Al,从衬底引出电极,两边扩散两个高浓度的N区,故又称为MOS管,管子组成:,a. 金属 (Metal),b. 氧化物 (Oxide),c.半导体(Semiconductor),2. 工作原理,电路连接图,(1) uGS =0 ,uDS0,源极和漏极之间始终有一个PN结反偏,iD=0,2uGS 0 ,uDS =0,产生垂直向下的电场,电场排斥空穴,形成耗尽层,吸引电子,形成导电沟道,当uGS =UGS(th)时,出现反型层,UGS(th)开启电压,N沟道增强型MOS管,简称NMOS,N沟道,3当uGS UGS(th) ,uDS0时.,uDS,(b) 沿沟道有电位梯度,(a) 漏极电流iD0 uDS增大,iD增大。,uDS,(b) 沿沟道有电位梯度,3当uGS UGS(th) ,uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大,iD增大。,uDS,(d)沟道反型层呈楔形,(b) 沿沟道有电位梯度,3当uGS UGS(th) ,uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a) 漏极电流iD0 uDS增大,iD增大。,a. uDS升高,沟道变窄,uDS,反型层变窄,b. 当uGD =uGS-uDS=UGS(th)时,uDS,沟道在漏极端夹断,(b) 管子预夹断,(a) iD达到最大值,c. 当uDS进一步增大,(a) iD达到最大值且恒定,uDS,uDS,沟道夹断区延长,(b) 管子进入恒流区,增强型NMOS管工作原理动画演示,2伏安特性与参数,a输出特性,可 变 电 阻 区,放大区,截止区,输出特性曲线,(1) 可变电阻区,a. uDS较小,沟道尚未夹断,b. uDS uGS- |UGS(th)|,c.管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点:,可 变 电 阻 区,2,4,0,6,10,20,(2) 放大区(饱和区、恒流区),a. 沟道予夹断,c. iD几乎与uDS无关,d. iD只受uGS的控制,b. uDS uGS- |UGS(th)|,截止区,a. uGSUGS(th),(3) 截止区,b.沟道完全夹断,c. iD=0,管子工作于放大区时函数表达式,b转移特性曲线,式中,K为与管子有关的参数,例 图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。,解 由图可知,该管的,UGS(th)= 2 V,当UGS = 8 V 时,ID = 2 mA,故,3.2.2 耗尽型MOS管,1. MOS管结构示意图,绝缘层中渗入了正离子,出现反型层,形成导电沟道,导电沟道增宽,a.,导电沟道变窄,b.,耗尽型MOS管可以在uGS为正或负下工作。,2伏安特性与参数,a输出特性曲线,b转移特性曲线,函数表达式,工作于放大区时,增强型与耗尽型管子的区别:,耗尽型:,增强型:,当 时,,当 时,,MOSFET符号,增强型,耗尽型,JFET符号,N沟道,P沟道,场效应管的特点(与双极型三极管比较),(1)场效应管是一种电压控制器件,即通过uGS来控制iD;,双极型三极管是一种电流控制器件,即通过iB来控制iC,(2)场效应管的输入端电流几乎为零,输入电阻非常高。,双极型三极管的发射结始终处于正向偏置,有一定的输入电流,基极与发射极间的输入电阻较小。,(4)场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好,且存在零温度系数工作点。,(3)场效应管是利用多数(一种极性)载流子导电的。,在双极型三极管中二种极性的载流子(电子和空穴)同时参与了导电。,(5)场效应管的结构对称,有时(除了源极和衬底在制造时已连在一起的MOS管)漏极和源极可以互换使用,且各项指标基本不受影响,使用方便、灵活。,(6)场效应管制造工艺简单,有利于大规模集成。,每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管5%。,(7)场效应管的跨导小,当组成放大电路时,在相同的负载电阻下,电压放大倍数比双极性三极管低。,(8) 由于MOS管的输入电阻高,由外界感应产生的电荷不易泄露,而栅极上的绝缘层又很薄,这将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起绝缘层的击穿而损坏管子。,2. 绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路?,思 考 题,1. 试比较三极管和场效应管的异同点。,3.3 场效应管放大电路,3.3.1 场效应管的偏置及其电路的静态分析,1自给偏压,IDQ,USQ= IDQ RS,UGSQ= -IDQ RS,(1) 电路,(2)自给偏压原理,(3) 静态分析,a. 方法一:图解法,(a) 列写输出回路方程,(c) 作图,(b) 列写输入回路方程,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,IDQ,M,N,Qo,UDSQ,Qi,UGSQ,作输出回路直流负载线,作控制特性,作输入回路直流负载线,b. 方法二:估算法,输入回路方程,当管子工作于放大区时,两式联立可求得IDQ,由此可得,例 在图示电路其中,VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M,FET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。试求UGSQ 、IDQ和UDSQ 。,UGSQ =2.9V,解,由,2分压式偏置,图中,(1) 电路,(2) 静态分析,故,分压式偏置: 增强型、耗尽型,两种偏置电路适用的FET:,自给偏压:耗尽型,3信号的输入和输出,常用的耦合方式,一种典型的阻容耦合共源极放大电路,3.3.2 场效应管的微变等效电路,由场效应管工作原理知:,iD= f (uGS 、uDS),iG= 0,对iD全微分,FET,rds为FET共源极输出电阻,故,或者,微变等效电路,简化的微变等效电路,FET的高频模型,3.3.3 场效应管组成的三种基本放大电路,1共源极放大电路,微变等效电路,由图可知,式中,a. 求电压放大倍数,由图可知,b. 求输入电阻Ri,根据输出电阻的定义:,由图可知,画出求输出电阻的等效电路,c. 求输出电阻Ro,2. 共漏极放大电路,微变等效电路,由图可知,式中,a. 求电压放大倍数,输入电阻,b. 求输入电阻Ri,c. 求输出电阻Ro,由图可知,故电路的输出电阻,3. 共栅极放大电路,微变等效电路,a. 求电压放大倍数,故,由于,b. 求输入电阻Ri,故,c. 求输出电阻Ro,画出求Ro的等效电路,1. 比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管放大电路,在电路结构上有何相似之处?为什么前者的输入电阻较高? 2. 为什么增强型绝缘栅场效应管放大电路无
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