第3章 场效应管及其放大电路课件.ppt

第3章 场效应管及其放大电路,3.1 场效应半导体三极管,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应三极管的结构来划分，它有两大类： 1.结型场效应三极管JFET； 2.缘栅型场效应三极管IGFET，IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET 。,绝缘栅型场效应三极管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。 MOSFET的结构与JFET相似，工作机理相同。分为:增强型 N沟道、P沟道；耗尽型 N沟道、P沟道。,N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 3.1。其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。 图3.1 N沟道增强型MOSFET结构示意图,3.1.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理,1、N沟道增强型MOSFET 结构,根据右图， N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,工作原理 a栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当于两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图3.3。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（ VGS(th) 称为开启电压VT)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,图3.3 VGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下：gm=ID/VGS VDS=const (单位mS),ID=f(VGS)VDS=const,b漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图3.7所示。根据此图可以有如下关系：,VDS=VDGVGS =VGDVGSVGD=VGSVDS,当VDS为0时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图3.4(a) ，沟道呈直线分布。,图3.4(a) 漏源电压VDS对沟道的影响,(a)当VDS较小时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图3.5(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,(b)当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图3.5(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。,(c)当VDS增加到VGDVGS(th)时，沟道如图3.5(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图3.6所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,图3.6 漏极输出特性曲线,2、N沟道耗尽型MOSFET,当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图3.7(b)所示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3.7(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线图3.7 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线,3、P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,1、结型场效应三极管的结构 JFET的结构如图3.8所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极G，N型硅的一端是漏极D，另一端是源极S。,3.1.2 结型场效应三极管,图3.8 N沟道结型场效应三极管的结构和符号,2、 结型场效应三极管的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，为使结型场效应管能正常工作，应在其栅-源之间加反偏电压（vGS0），以保证耗尽层承受反向电压；在漏-源之间加正向电压，以形成漏极电流。vGS0既保证栅-源之间内阻很高的特点，又实现了vGS对沟道电流的控制。 对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。, 栅源电压对沟道的控制作用,当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。这一过程如图3.9所示。,图3.9 VGS对沟道的控制作用, 漏源电压对沟道的控制作用,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，如图3.10(b)所示。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长，见图3.10（c）。,在栅极加上电压，且VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分，如图3.10(a)所示。,图3.10 漏源电压对沟道的控制作用,3、结型场效应三极管的特性曲线,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线如图3.11所示。,(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 图3.11 N沟道结型场效应三极管的特性曲线,3.1.3 伏安特性曲线,场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,图3.12 各类场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,3.1.4 场效应三极管的参数和型号,(1) 场效应三极管的参数 开启电压VGS(th) (或VT) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。, 夹断电压VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。, 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。, 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。, 低频跨导gm 低频跨导反映了栅-源压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。, 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,(2) 场效应三极管的型号,场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,半导体场效应管图片,3.1.5 双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm),双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,3.2 场效应三极管放大电路的分析方法,3.2.1 共源组态基本放大电路3.2.2 共漏组态基本放大电路3.2.3 共栅组态基本放大电路3.2.4 三种组态基本放大电路的比较,3.2.1 共源组态基本放大电路,对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图03.11所示。,(a)采用结型场效应管,(b)采用绝缘栅场效应管,图 03.11 共源组态接法基本放大电路,(1)直流分析,将共源基本放大电路的直流通道画出,如图03.12所示。,图03.12 共源基本放大电路的直流通道,图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。,根据图03.12可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQ(Rd+R) 于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ,近似分析时可认为其为无穷大！,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,与晶体管的h参数等效模型类比：,场效应管的交流等效模型,图03.13 微变等效电路,(2)交流分析,画出图03.12电路的微变等效电路，如图03.13所示。,与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。,电压放大倍数 如果有信号源内阻RS时 =gmRLRi / (Ri +RS) 式中Ri是放大电路的输入电阻。,输入电阻,输出电阻,为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成图03.14的形式。,图 03.14 计算Ro的电路模型,输出电阻,3.2.2 共漏组态基本放大电路,图 03.15 共漏组态放大电路 03.16 直流通道,(1)直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图03.16之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQR由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,(2)交流分析,图03.17 共漏放大电路的微变等效电路,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,计算输出电阻的原则与其它组态相同，将图03.17改画为图03.18。,图03.18 求输出电阻的微变等效电路,3.2.3 共栅组态基本放大电路,共栅组态放大电路如图03.19所示，其微变等效电路如图03.20所示。,图 03.19共栅组态放大电路 图 03.20 微变等效电路,(1)直流分析 与共源组态放大电路相同。,(2)交流分析,电压放大倍数,输出电阻 RoRd,输入电阻,3.2.4 三种接法基本放大电路的比较,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD,电压放大倍数,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD,