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场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路 (3)3.1 场效应晶体管(FET） 分类和结构：分类和结构： 结型场效应晶体管结型场效应晶体管JFET 绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管IGFETNPPN结耗尽层PN沟道G门极门极D漏极S源极源极P衬底NN源极源极 门极门极 漏极S G D JFET结构结构IGFET结构结构N沟道3.3 MOSFET增强型增强型MOSFET耗尽型耗尽型MOSFET N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构3.3.13.3.1增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E栅极栅极G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管当当UGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬底型衬底表面形成一层表面形成一层耗尽层耗尽层，但负离，但负离子不能导电。子不能导电。 当当UGS=UT时时, 在在P型衬底表型衬底表面形成一层面形成一层电子层电子层，形成，形成N型型导电沟道，在导电沟道，在UDS的作用下形的作用下形成成ID。UDSID+ +- -+-+- - -UGS反型层反型层 当当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论结，无论UDS之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0. 当当UGSUT时时, 沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作的作用下，用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在UGS UT时才形成沟道时才形成沟道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线的控制关系曲线I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑沟道较短时，应考虑UDS对对沟道长度的调节作用：沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+ UDS)K导电因子（导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数沟道调制长度系数LWCKOXn2 LWK2nSK2DSULL n沟道内电子的表面迁移率沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度沟道长度Sn沟道长宽比沟道长宽比K本征导电因子本征导电因子 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线U UGSGS一定时，一定时， I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线1.可变电阻区可变电阻区： ID与与UDS的关系近线性的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS0dUDDSonGSdIdUR2K1UU1TGSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当当UGS变化时，变化时，RON将随之变化将随之变化因此称之为因此称之为可变电阻区可变电阻区当当UGS一定时，一定时，RON近似为一常数近似为一常数因此又称之为因此又称之为恒阻区恒阻区 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线2. 恒流区恒流区： 该区内，该区内，UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变3.击穿区击穿区： UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。开始剧增而出现击穿。 当当UDS 增加到某一临界增加到某一临界值时，值时，ID开始剧增时开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA) 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当当UDS为为0或较小时，或较小时，相当相当 UGDUT，此时此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在线分布。在UDS作用下形成作用下形成ID 当当UDS增加到使增加到使UGD=UT时，时， 当当UDS增加到增加到UGD UT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用 这相当于这相当于UDS增加使漏极处沟道增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的。此时的漏极电流漏极电流ID 基本饱和基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S极。极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上， ID基本趋于不变。基本趋于不变。 MOSMOS管衬底的处理管衬底的处理保证两个保证两个PN结反偏，源极结反偏，源极沟道沟道漏极之间处于绝缘态漏极之间处于绝缘态NMOS管管UBS加一负压加一负压PMOS管管UBS加一正压加一正压处理原则：处理原则：处理方法：处理方法： N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构3.3.23.3.2耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理当当UGS=0时，时，UDS加正向电压，产生漏极加正向电压，产生漏极电流电流ID,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示表示当当UGS0时，将使时，将使ID进一步增加进一步增加。当当UGS0时，随着时，随着UGS的减小漏极电流逐的减小漏极电流逐渐渐减小减小。直至。直至ID=0。对应。对应ID=0的的UGS称为称为夹断电压，用符号夹断电压，用符号UP表示。表示。UGS(V)ID(mA) N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线转移特性曲线转移特性曲线在恒流区，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UP)2沟道较短时，沟道较短时， IDK(UGS-UT)2（1+ UDS)UPID IDSS(1- UGS /UP)2常用关系式：常用关系式： N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在U UGSGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在U UGSGS003.3.3各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅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 沟道耗尽型场效应管的主要参数场效应管的主要参数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数2. 夹断电压夹断电压UP 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电漏极电流为零。流为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏时所对应的漏极电流。极电流。1. 开启电压开启电压UT 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比结之比结型场效应三极管，反偏时型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应三极管绝缘栅场效应三极管RGS约是约是1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压 1. 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用CUCUGSDmBSDSdUdIggm的求法的求法: 图解法图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率实际就是转移特性曲线的斜率解析法：如增强型解析法：如增强型MOS管存在管存在ID=K(UGS-UT)2)U2K(UgTGSm 2. 衬底跨导衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用的控制作用CUCUBSDmGSDSdUdIgbmmbgg 跨导比跨导比3. 漏极电阻漏极电阻rdsCUCUDDSdGSBSdIdUrs反映了反映了UDS对对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率点切线上的斜率4.导通电阻导通电阻RonCUCUDDSGSBSdIdUonR在恒阻区内在恒阻区内mg15. 极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容Csb 源极与衬底间电容源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容漏极与衬底间电容主要的极间电容有：主要的极间电容有：3.3、绝缘栅型场效应晶体管、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）分分增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类：各类有分两类：各类有分NMOS和和 PMOS两种：两种：1) NMOS （Metal Oxidized Semiconductor) NMOS（D）P衬底NN源极源极 门极门极 漏极S G D 增强型增强型N沟道示意沟道示意B 基底基底NMOS（E）P衬底NN源极源极 门极门极 漏极S G D 耗尽型耗尽型N沟道示意沟道示意B 基底基底Sio2Sio2N沟道沟道GDSGGGBB+2）P沟道沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor) N衬底PP源极源极 门极门极 漏极S G D 增强型增强型P沟道示意沟道示意B 基底基底PMOS（E）N衬底PP源极源极 门极门极 漏极S G D 耗尽型耗尽型P沟道示意沟道示意B 基底基底Sio2Sio2P沟道沟道GDSGGGBB-PMOS（D）(1)工作状态示意图P衬底NNS G D UGSUDSBID耗尽区耗尽区+ +- - - -GDSBIDUDSUGS(2) IGFET 工作原理工作原理(NMOS)耗尽型耗尽型场效应管的工作原理类似场效应管的工作原理类似结型结型场效应管。场效应管。增强型增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压象双结型三极管一样有一个开启电压VT ，（相当于三极管死区电压）。（相当于三极管死区电压）。当当UGS低于低于VT时，漏源之间夹断。时，漏源之间夹断。ID=0当当UGS高于高于VT时，漏源之间加电压后。时，漏源之间加电压后。 ID=ID0（ -1）2 ；IDO为为2VT时的时的ID 当当UDS小于等于小于等于UGS-VT时，进入可变电阻区时，进入可变电阻区 UGSVTuGS iDgm=2ID0(UGS-1)VT=VT2IDID0VT(3) IGFET（E）特性曲线UDS可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VTNMOS的的输出特性曲线输出特性曲线2.0V4.0V6.0VUGS=8.0V VA A ID放大区0击击穿穿区区UDS=5VUGSVID A0 2 4 6 82001501005020015010050NMOS的的转移特性曲线转移特性曲线(4)主要参数：1）开启电压）开启电压VT:手册给出是手册给出是ID为一微小值为一微小值时的时的VGS2）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDO; VGS=2VT时的时的ID3)、 电压控制电流系数电压控制电流系数gm= 也称跨导（互导）也称跨导（互导）4）交流输出）交流输出电阻电阻 rds= 5)极限参数：极限参数：V（BR）DS 漏极的附近发生雪崩击穿。漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS 栅源间的最高反向击穿栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗最大漏极允许功耗 ，与与三极管类似。三极管类似。vgsidUds=常数常数udsidvgs=常数常数uds id2IDID0VT=3）FET的三种工作组态的三种工作组态以以NMOS（E）为例：）为例：IDGRDSBUDSUGS输入输出共源组态：输入：GS输出：DSGRDDBUDSUGS输入输出共漏组态：输入：GS输出：DSGRDSBUDS输入输出共栅组态：输入：GS输出：DS一一. . 结型场效应管结型场效应管 1. 1. 结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）：两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。三型沟道。三个电极：个电极： G：栅极栅极 D：漏极漏极 S：源极源极符号：符号：3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路2. 2. 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压VGS ，令，令VDS =0 当当VGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电结，导电沟道最宽。沟道最宽。当当VGS时，时，PN结反偏，形成结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。阻增大。当当VGS到一定值时到一定值时 ，沟道会完，沟道会完全合拢。全合拢。定义：定义： 夹断电压夹断电压Up使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压电压VGS。（2 2）漏源电压对沟道的控制作用）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压VDS ，令，令VGS =0 由于由于VGS =0，所以导电沟道最宽。，所以导电沟道最宽。 当当VDS=0时，时， ID=0。VDSID 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。沟道变窄，呈楔形分布。当当VDS ，使，使VGD=VG S- VDS=VP时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。预夹断前，预夹断前， VDSID 。预夹断后，预夹断后， VDSID 几乎不变。几乎不变。VDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。（3 3）栅源电压）栅源电压V VGSGS和漏源电压和漏源电压V VDSDS共同作用共同作用可用输两组特性曲线来描绘。可用输两组特性曲线来描绘。 ID=f（ V VGS GS 、V VDSDS）（1）输出特性曲线：）输出特性曲线： ID=f（ V VDS DS ）VGS=常数常数 3 结型场效应三极管的特性曲线 四个区：四个区： 可变电阻区：预夹断前。可变电阻区：预夹断前。 电流饱和区（恒流区）：电流饱和区（恒流区）： 预夹断后。预夹断后。 特点：特点： ID / V VGS GS 常数常数= g gm m 即：即： ID = g gm m V VGSGS（放大原理）（放大原理） 击穿区。击穿区。 夹断区（截止区）。夹断区（截止区）。 (a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲演示：动画（2-6） 动画（2-7）（2）转移特性曲线：）转移特性曲线： ID=f（ V VGS GS ）VDS=常数常数4 .4 .场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1) 开启电压开启电压VT VT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不场效应管不能导通。能导通。 （2）夹断电压）夹断电压VP VP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当VGS=VP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。 （3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET, 当当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管, RGS可达可达1091015。（5） 低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（6） 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM= VDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。1. 直流偏置电路：直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真保证管子工作在饱和区，输出信号不失真 二二. 场效应管放大电路场效应管放大电路（1）自）自偏压电路偏压电路vGSvGS =- iDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：VGS 、 ID 、VDSvGS =2PGSDSSD)1(VvIi VDS =VDD- ID (Rd + R )已知已知VP ，由，由- iDR可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 、 VDS （2）分压式自）分压式自偏压电路偏压电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g22PGSDSSD)1 (VvIIVDS =VDD-ID(Rd+R)可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 、 VDS 计算计算Q点：点：已知已知VP ，由，由RIVRRRVDDDg2g1g2GS该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。2. 场效应管的交流小信号模型场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。 其中：其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。是输入电阻，理论值为无穷大。 gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。称为低频跨导。 rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。三三. 放大电路1.共源放大电路共源放大电路分析：分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数）求电压放大倍数（3）求输入电阻）求输入电阻（4）求输出电阻）求输出电阻忽略忽略 rd iVgsVRVggsm )1(mgsRgV oVdgsmRVg VARgRgmdm1 由输入输出回路得由输入输出回路得则则则则)/(g2g1g3iRRRR doRR 由于由于rgs=（2）电压放大倍数）电压放大倍数（3）输入电阻）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg oV)/(LgsmRRVgVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得得)/(g2g1g3iRRRR 分析：分析：（1 1）画）画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。 由由ioVV1 2.共漏放大电路共漏放大电路（4 4）输出电阻）输出电阻OIRIgsmVg RVO gsVOV oRm11gR 所以所以由图有由图有OOIVgsmVg m1/gR