第三章第三章 场效应管及其组成场效应管及其组成的基本放大器的基本放大器 场效应管的结构、工作原理和它的伏安场效应管的结构、工作原理和它的伏安特性。特性。 由场效应管组成的放大器的分析方法以由场效应管组成的放大器的分析方法以及场效应管放大器的各项指标。及场效应管放大器的各项指标。场效应管场效应管( (简写成简写成FETFET) )是另一种半导体器件。是另一种半导体器件。场效应管是利用输入电压在管内所产生的电场效应，场效应管是利用输入电压在管内所产生的电场效应，来控制其输出电流，是电压控制器件。它只有一种来控制其输出电流，是电压控制器件。它只有一种载流子载流子( (多数载流子多数载流子) )参与导电，故又称为参与导电，故又称为单极型单极型晶晶体管。体管。场效应管的输入电阻很高，远远高于场效应管的输入电阻很高，远远高于BJTBJT，可达，可达10109 9以上以上工艺简单，功耗很小，工艺简单，功耗很小，体积小、成本低。体积小、成本低。适用于大适用于大规模集成。规模集成。特点：特点： 分类：从参与导电的载从参与导电的载流子来划分流子来划分从结构来划分从结构来划分从结构来划分从结构来划分结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管 JFETJFET金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管 MOSFETMOSFETN N沟道沟道 (电子电子电子电子作为导电载流子)P P沟道沟道 (空穴空穴空穴空穴作为导电载流子)(Junction type Field Effect Transister) (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) 3.1 结型场效应管1 1、N N沟道沟道沟道沟道JFETJFET的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号 耗尽层栅极源极漏极按照类似的方法，将基片换为P型半导体，把两边扩散的半导体改为N型的，就制成了P沟道的结型场效应管。P P沟道沟道JFETJFET的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号N沟道沟道JFET正常工正常工作作时，g极与极与s极加极加负压(vGS0)。导电的的载流子流子为自由自由电子，子，所以称所以称为N沟道沟道JFET。2、结型场效应管的工作原理、结型场效应管的工作原理(1) VDS=0时VGS对沟道的影响此此时沟道被沟道被夹断，断，对应的的 称称为夹断断电压用用 表示表示GSGSv vP PV V |GSGSv 结结结结PNPN 沟道沟道沟道沟道= = = =P PV VGSGSv v。时，沟道消失出现夹断时，沟道消失出现夹断时，沟道消失出现夹断时，沟道消失出现夹断当当当当GDGDv v= = = =vDS0时：时：|vGS|增大，耗尽层加宽，沟道电阻加大，增大，耗尽层加宽，沟道电阻加大，iD电流下降。电流下降。直到直到vGSVP， iD0。(2) VGS=0时VDS对沟道的影响 |DSDSv此时沟道出现此时沟道出现预夹断预夹断预夹断预夹断 Di沟道电场强度加大沟道电场强度加大预夹断预夹断预夹断预夹断饱和漏电流饱和漏电流时，时，增加到增加到当当- - -= = =- -= =)(DSSDPDSGSGDDSIiVvvvv基本不变基本不变继续增大，继续增大，DDSiv预夹断击穿综上所述，结型场效应管导电沟道的导电能力（iD）受VGS和VDS的控制，即受电场的控制的。 (3) (3) 总结总结总结总结vJFET工作工作时栅极、沟道之极、沟道之间的的PN结反偏，反偏，iG 0，输入入电阻高；阻高；vJFET是是电压控制控制电流器件，流器件，iD受受vGS和和vDS控控制；制；v预夹断前，断前， iD与与vDS呈近似呈近似线性关系；性关系；预夹断后，断后， iD趋于于饱和。和。3、 结型场效应管的伏安特性结型场效应管的伏安特性 输出特性输出特性 可变电阻区恒恒 流流 区区 击击穿穿区区截 止 区VGS DSv0 GSvVp P P型结型场效应管的伏安特性曲线型结型场效应管的伏安特性曲线P P沟道沟道JEFTJEFT工作时：工作时： 0 DSv4 4、结型场效应管的主要参数、结型场效应管的主要参数 夹断电压夹断电压V VP P ( (或或V VGS(off)GS(off) ) ) 当当V VGSGS= = V VP P时，漏极电流为零。时，漏极电流为零。 饱和漏极和漏极电流流IDSS 耗尽型耗尽型场效效应三极管，在三极管，在VGS=0的情况下，当的情况下，当所所对应的漏极的漏极电流。流。时时发生雪崩生雪崩击穿，穿，开始急开始急剧上升上升时的的的的值。 漏源漏源击穿穿电压 DSBRV)(通常令通常令vDS=10V，VGS=0时测出的出的iD就是就是IDSS。在在转移特性曲移特性曲线上，就是上，就是vGS=0时的漏极的漏极电流。流。 输入电阻输入电阻 rgs对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时rgs约大于约大于10107 7，对于绝缘栅，对于绝缘栅场型效应三极管，场型效应三极管，rgs约是约是10109 910101515。 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力栅源电压对漏极电流的控制能力 。单位是单位是mS(mS(毫西门子毫西门子) )。 输出电阻输出电阻dsrConstvDDSGSiv= = = = 最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM= VDSID决定，与双极型三极管的决定，与双极型三极管的PCM相当。相当。在恒流区内，场效应管的输出电阻也比较大，一般为几十到在恒流区内，场效应管的输出电阻也比较大，一般为几十到几百千欧姆。几百千欧姆。3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effrct Transistor (MOSFET) MOSFET增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道管内存在原始管内存在原始导电沟道沟道 管内不存在原始管内不存在原始导电沟道沟道 一、增强型一、增强型MOS场效应管场效应管 1 1、结构、结构 铝N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号 metal-oxide-semiconductor field effect transistor 缩写为缩写为MOSFET 金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管箭头方向表示由箭头方向表示由P衬底指向衬底指向N沟道沟道铝P P沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的结构示意图和电路符号的结构示意图和电路符号 箭头方向表示由箭头方向表示由P P沟道指向沟道指向N N衬底衬底vGS=0时，两个，两个PN结背靠背，无背靠背，无论vDS为正正为负，均没，均没有有iD电流流产生。由于生。由于 vGS0时，管子中没有，管子中没有iD电流，流，故称其故称其为增增强型型MOS管。管。2 2、工作原理、工作原理 2 2、工作原理、工作原理 栅源源电压对沟道的影响沟道的影响N型沟道生成！型沟道生成！ 越大，则作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的电场就越强，沟道将越厚，iD也就越大。 （动画）反反 型型 层层 同同时加入加入漏源漏源电压后后对沟道的控制作用沟道的控制作用DI出现预夹断出现预夹断 出现了夹断点，我们也称之为预夹断 继续上升，漏极电流iD趋于饱和。击穿预夹断预夹断 Di沟道电场强度加大沟道电场强度加大3、伏安特性可变电阻区恒恒 流流 区区 击击穿穿区区截 止 区VGSDSv二、耗尽型MOS场效应管它是在它是在栅极下方的极下方的SiO2绝缘层中中掺入了大量的金属正离子。入了大量的金属正离子。所以当所以当VGS=0时，这些正离子已些正离子已经在感在感应出反型出反型层，在漏源，在漏源之之间形成了沟道。形成了沟道。1、工作原理时沟道就存在了沟道就存在了 时，导电沟道会沟道会变宽，直至直至ID=0。对应。对应ID=0的的V VGSGS称为称为夹夹夹夹断电压断电压断电压断电压，用符号，用符号V VP P表示。表示。时，沟道会，沟道会变窄，窄，0 DSv3.3 各种场效应管特性的比较 FET JFET MOSFET N沟道 JFET P沟道 JFET 增强型MOSFET 耗尽型MOSFET N沟道P沟道 N沟道P沟道2)1 (PGSDSSDVvIi-=2)(TGSnDVvKi- -= =2)1 (PGSDSSDVvIi-= (a) N沟道FET (b) P沟道FET结论：P P负的的2 2、 的正的正负关关键是看他是看他们各自的各自的转移特性曲移特性曲线。1 1、N N沟道沟道场效效应管不管是管不管是结型的型的还是是绝缘栅型的，型的，都是为正的都是为正的VGS=VPVGS=VT三极管和场效应管的比较三极管和场效应管的比较 三极管三极管 场效应晶体管场效应晶体管结构结构 NPN型型 结结 型型 N沟道沟道 P沟道沟道 PNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移控制控制 电流控制电流源电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成3.4 场效应管放大器 与晶体三极管放大电路一样，场效应管与晶体三极管放大电路一样，场效应管都应工作于输出特性曲线的恒流区内，都应工作于输出特性曲线的恒流区内，所以都需要建立所以都需要建立合适的静态工作点合适的静态工作点，但，但是因为场效应管是电压控制电路，所以是因为场效应管是电压控制电路，所以它需要有它需要有合适的栅极电压合适的栅极电压。 一、场效应管放大器的偏置电路 1、自偏自偏压电路路直流通路 VG=0,VS=IDR所以：所以：VGSQ= VG- VS = - IDR 2PGSDSSDQ)VV-(1II= =)(RRIVVdDDDDSQ+ +- -= = 该电路只适合于耗尽型FET，因为增强型的FET当栅源电压为零时，无漏极电流.而且静态工作点只能依靠改变而且静态工作点只能依靠改变R调节，不方便。调节，不方便。直流偏直流偏压VGS不是靠不是靠电压源源提供，而是由源极提供，而是由源极电阻阻R上上的直流的直流压降提供，称降提供，称为自偏自偏自偏自偏压电压电路路路路。2 2、分压式偏置电路、分压式偏置电路VS=IDQRs不仅适用于耗尽型不仅适用于耗尽型FETFET，也适用于增强型，也适用于增强型FETFET。静态工。静态工作点可通过调节作点可通过调节R R1 1、 R R2 2和和R R确定，比较方便。确定，比较方便。二、场效应管的小信号模型 ，它正，它正对应于于场效效应管的管的转移特性在移特性在Q点点处对的控制作用的控制作用,称之为称之为跨导跨导跨导跨导。所有类型的场效应管小信号等效模型都是一致的！所有类型的场效应管小信号等效模型都是一致的！三、场效应管放大器的解析法 1.共源极放大器共源极放大器求其电压增益、输入电阻、输出电阻的表达式 画出小信号等效电路交流通路 小信号等效电路 求电压增益gsLDdsgsmVRRrVg)/(- -= =)/(LDdsmRRrg- -= =输入电阻、输出电阻共源电路属于反相电压放大器，其增益较大，输入电阻较高，共源电路属于反相电压放大器，其增益较大，输入电阻较高，输出电阻由输出电阻由RD决定决定例：如图所示的共源放大器。求其电压增益、输入电阻、输出电阻的表达式。解： 作出交流通路和小信号等效电路 DRR 02、共栅极放大器* 由于栅极与沟道之间的高阻未发挥作用，所以很少用3、共漏极放大器 (1) (1) 直流分析直流分析直流通路直流通路 GDSVGSQ= VGVS= VGIDQR VDSQ= VDDIDQR (2) (2) 交流分析交流分析 交流通路交流通路 小信号等效电路小信号等效电路 电压放大倍数放大倍数式中式中RL=R/RL1LmLm1RgRg + + = =LdsgsmgsLdsgsm)/()/(RRrVgVRRrVg+ += =ioVVAv= =输入入电阻阻输出出电阻阻GDS小信号等效电路小信号等效电路 GSD共漏电路又称源极输出器，其输共漏电路又称源极输出器，其输出电压和输入电压同相，电压增出电压和输入电压同相，电压增益接近益接近1 1，输入电阻高，输出电，输入电阻高，输出电阻小。阻小。例例1 判断下列电路能否正常工作。判断下列电路能否正常工作。不能，因为不能，因为VGS0能能不能，因为不能，因为VGS=0，没，没有导电沟道有导电沟道不能，因为不能，因为VDS0例例2 在如在如图所示的放大所示的放大电路中已知路中已知VDD20V， VGSQ2V，管子，管子参数参数IDSS4mA， VP4V。设C1、C2在交流通路中可在交流通路中可视为短路。短路。(1)求求电阻阻R1和静和静态电流流IDQ；(2)求求 正常放大条件正常放大条件下下R2可能的最大可能的最大值；(3)设rd可忽略，在上述条件下可忽略，在上述条件下计算算AV和和RoWk100=dRR1 . 1)62(11101)(121-+-=+-mdmRRgRg)1(1211+-=gmmmdmVRRRggRgRgA&例例3 3、已知电路参数如下图所示，、已知电路参数如下图所示，FETFET工作点上的互导工作点上的互导三极管的三极管的 (1) (1) 画出小信号等效电路；画出小信号等效电路； (2) (2) 设设FETFET的的r rdsds很大，可视为开路，求电路的电压增益很大，可视为开路，求电路的电压增益A Av v，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻R Ri i以及输出电阻以及输出电阻RoRo。(1)小信号等效电路图：(2) 已知昨图所示电路中场效应管的转移特性如右图所示。已知场效应管的gm=2mA/V，求：（1）静态时，场效应管的IDQ、VGSQ、VDSQ；（2）画微变等效电路，并求电压放大倍数、输入电阻Ri、输出电阻Ro。 练:作业：作业：3.4.153.4.17