第5章 场效应管及其基本放大电路.ppt

第第5章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 5.1场效应晶体管场效应晶体管 场效应晶体管场效应晶体管FET(Field Effect Transistor)是利用是利用电场效应电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是来控制电流的一种半导体器件，即是电电电电压控制元件压控制元件压控制元件压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基。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，所以它的本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且输入电阻高，且温度稳定性好。温度稳定性好。结型场效应管：结型场效应管：结型场效应管：结型场效应管：按结构不同按结构不同场效应管有两种场效应管有两种:绝缘栅型场效应管：绝缘栅型场效应管：绝缘栅型场效应管：绝缘栅型场效应管：结型结型 JFET(Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)，MOSMOS管管 Metal-Oxide-SemiconductorMetal-Oxide-Semiconductor特点：特点：1.单极性器件单极性器件(一种载流子导电一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达可高达 1015 )5.1.1 结型场效应管结型场效应管1.结构与符号结构与符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFETS 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 Drain相当于三极管的相当于三极管的C C相当于三极管的相当于三极管的B B相当于三极管的相当于三极管的E E2.工作原理 N 沟道PN结N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道场效应管工作时，极性相反极性相反，沟道中的多子为空穴。栅源电压VGS对iD的控制作用当VGS0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小；VGS更负，沟道更窄，ID更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，ID0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压UGS(off)。漏源电压漏源电压V VDSDS对对i iD D的影响的影响 在栅源间加电压在栅源间加电压VGS UGS(off)，漏源间加电压漏源间加电压VDS。则因D端耗尽层所受的反偏电压比S端耗尽层所受的反偏电压大,使靠近D端的耗尽层比S端厚，沟道比S端窄,使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=UGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断点，当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区。Id电流近似不变。3.转移特性和输出特性转移特性和输出特性当当 UGS(off)uGS 0 时时,一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET (Metal Oxide Semi FET)MOS 场效应管场效应管1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDB5.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 栅极和其栅极和其栅极和其栅极和其它电极及硅它电极及硅它电极及硅它电极及硅片之间是绝片之间是绝片之间是绝片之间是绝缘的，称绝缘的，称绝缘的，称绝缘的，称绝缘栅型场效缘栅型场效缘栅型场效缘栅型场效应管。应管。应管。应管。2 2 N N沟道增强型管的沟道增强型管的沟道增强型管的沟道增强型管的工作原理工作原理工作原理工作原理EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。当栅源电压当栅源电压UGS=0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SD1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uDS=0)I DEGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+当当UGS 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道在漏极电源的作用在漏极电源的作用在漏极电源的作用在漏极电源的作用下将产生漏极电流下将产生漏极电流下将产生漏极电流下将产生漏极电流I ID D，管子导通。管子导通。管子导通。管子导通。当当当当U UGS GS U UGSGS（thth）时，时，时，时，将将将将出现出现出现出现N N型导电沟型导电沟型导电沟型导电沟道，将道，将道，将道，将D-SD-S连接起连接起连接起连接起来。来。来。来。U UGSGS愈高，导愈高，导愈高，导愈高，导电沟道愈宽。电沟道愈宽。电沟道愈宽。电沟道愈宽。EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当UGS UGS(thth）后，场效后，场效应管才形成导电沟道，应管才形成导电沟道，开始导通，开始导通，若漏若漏源之源之间加上一定的电压间加上一定的电压UDS，则有漏极电流则有漏极电流ID产生。产生。在一定的在一定的UDS下下漏极电流漏极电流ID的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的是一种电压控制电流的器件。器件。在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(thth）。2)uDS 对对 iD的影响的影响(uGS UGS(th)DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道道呈呈楔楔形形，uDS，靠靠近近漏漏极极端端的的沟沟道道厚厚度变薄。度变薄。预夹断预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。3)3)特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线有导电沟道有导电沟道转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线无导电无导电沟道沟道开启电压开启电压开启电压开启电压U UGSGS(thththth）UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V 漏极特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲线恒流区恒流区恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区截止区截止区截止区截止区为为uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值N型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构4)4)P P P P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型 SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当U UGSGS U UGSGS(thththth）时才形成导时才形成导电沟道。电沟道。二、二、二、二、耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：符号：如果如果如果如果MOSMOS管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。(1)(1)N N沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，时，若漏若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压UDS，也也会有漏极电流会有漏极电流 ID 产生。产生。当当当当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，I ID D 增大；增大；增大；增大；当当当当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，I ID D 减小；减小；减小；减小；U UGSGS负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，I ID D就愈小。就愈小。就愈小。就愈小。当当UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UGS(off(off）表示。表示。这这这这时的时的时的时的漏极电流漏极电流漏极电流漏极电流用用用用 I IDSSDSS表表表表示，称为示，称为示，称为示，称为饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流。(2)(2)耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型N N沟道沟道沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线夹断电压夹断电压 耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。电压到一定值时才能夹断。UGS(off)转移特性曲线转移特性曲线0ID/mA UGS/V-1-2-34812161 2U UDSDS=常数常数常数常数U DSUGS=0UGS0漏极特性曲线漏极特性曲线0ID/mA16 201248121648IDSS(3)(3)P P 沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管符号：符号：GSD予埋了予埋了P P型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型GSDGSD增强型增强型增强型增强型N沟道沟道P P沟道沟道沟道沟道GSDGSDN N沟道沟道沟道沟道P沟道沟道GG、S S之间加一定之间加一定之间加一定之间加一定电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有原始原始原始原始导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道N 沟道沟道增强型增强型SGDBiDP 沟道沟道增强型增强型SGDBiD2 2 OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN 沟道耗尽沟道耗尽型型iDSGDBP 沟道耗尽沟道耗尽型型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA 5 O5FET 符号、特性的比较符号、特性的比较O uDS/ViD/mA5 V2 V0 V2 VuGS=2 V0 V 2 V 5 VN 沟道结沟道结型型SGDiDSGDiDP 沟道结沟道结型型uGS/ViD/mA5 5 OIDSSUGS(off)O uDS/ViD/mA5 V2 V0 VuGS=0 V 2 V 5 V不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS/ViD/mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS 管管IDSS开启电压开启电压UGS(th)夹断电压夹断电压UGS(off)IDO 是是 uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.开启电压开启电压 UGS(th)(增强型增强型)夹断电压夹断电压 UGS(off)(耗尽型耗尽型)指指 uDS=某值，使漏极某值，使漏极 电流电流 iD 为某一小电流时为某一小电流时 的的 uGS 值。值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当耗尽型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAOUGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻直流输入电阻 RGS指漏源间短路时，栅、源间加指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO4.低频跨导低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几。一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQOPDM=uDS iD，受温度限制。受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 电流控制电流控制电流控制电流控制 电压控制电压控制电压控制电压控制 控制方式控制方式控制方式控制方式电子和空穴两种载电子和空穴两种载电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子同时参与导电流子同时参与导电流子同时参与导电流子同时参与导电载流子载流子载流子载流子电子或空穴中一种电子或空穴中一种电子或空穴中一种电子或空穴中一种载流子参与导电载流子参与导电载流子参与导电载流子参与导电类类类类 型型型型 NPNNPN和和和和PNP NPNP N沟道和沟道和沟道和沟道和P P沟道沟道沟道沟道放大参数放大参数放大参数放大参数 r rcece很高很高很高很高 r rdsds很高很高很高很高 输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻较低较低较低较低较高较高较高较高 双极型三极管双极型三极管双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管单极型场效应管单极型场效应管热稳定性热稳定性热稳定性热稳定性 差差差差 好好好好制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺 较复杂较复杂较复杂较复杂 简单，成本低简单，成本低简单，成本低简单，成本低对应电极对应电极 BEC GSD5.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。大电路。大电路。大电路。场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。管的发射极、集电极、基极。管的发射极、集电极、基极。管的发射极、集电极、基极。场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。上也相类似。上也相类似。上也相类似。场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。1.1.1.1.自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路5.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 栅源电压栅源电压栅源电压栅源电压U UGSGS是由场效应管自身的电流提供的，是由场效应管自身的电流提供的，是由场效应管自身的电流提供的，是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。故称自给偏压。故称自给偏压。故称自给偏压。U UGSGS =R=RS SI IS S =R=RS SI ID D+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _ _ _U UGSGST T为为为为N N沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管 增强型增强型增强型增强型MOSMOS管因管因管因管因U UGSGS=0=0时，时，时，时，I ID D 0 0，故不能采用故不能采用故不能采用故不能采用自给偏压式电路。自给偏压式电路。自给偏压式电路。自给偏压式电路。+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _ _ _U UGSGS静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法(略略略略)估算法：估算法：估算法：估算法：U UGSGS =R=RS SI ID D将已知的将已知的将已知的将已知的U UGS(off)GS(off)、I IDSSDSS代入上两式，解代入上两式，解代入上两式，解代入上两式，解出出出出U UGSGS、I ID D;由由由由 U UDSDS=U UDD DD IID D(R RD D+R RS S)解出解出解出解出U UDSDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式 对增强型对增强型对增强型对增强型MOSMOS管构成的放大电路需用图解法来管构成的放大电路需用图解法来管构成的放大电路需用图解法来管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。确定静态值。确定静态值。确定静态值。+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _ _ _U UGSGS例：例：例：例：已知已知已知已知U UDDDD=20V=20V、R RD D=3k=3k 、R RS S=1k=1k 、R RGG=500k=500k 、U UGS(off)GS(off)=4V=4V、I IDSSDSS=8=8mAmA，确定静态工作点。确定静态工作点。确定静态工作点。确定静态工作点。解：解：解：解：用用用用估算法估算法估算法估算法U UGSGS =1 1 I ID DU UDSDS=20 20 2 2（3+1 3+1）=12 V=12 V列出关系式列出关系式列出关系式列出关系式解出解出解出解出 U UGS1 GS1=2V2V、U UGS2 GS2=8V8V、I ID1D1=2mA=2mA、I ID2D2=8mA=8mA 因因因因U UGS2 GS2 U UGS(off)GS(off)故舍去故舍去故舍去故舍去 ，所求静态解为所求静态解为所求静态解为所求静态解为U UGS GS=2V 2V I ID D=2mA=2mA、2.2.分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路(1)(1)静态分析静态分析静态分析静态分析+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RG1G1R RD DR RG2G2R RGG+R RL Lui iuo o估算法：估算法：估算法：估算法：将已知的将已知的将已知的将已知的U UGS(off)GS(off)、I IDSSDSS代入上两式，解代入上两式，解代入上两式，解代入上两式，解出出出出U UGSGS、I ID D;由由由由 U UDSDS=U UDD DD I ID D(R RD D+R RS S)解出解出解出解出U UDSDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式流过流过流过流过 R RG G 的电流为零的电流为零的电流为零的电流为零NMOS管的低频小信号简化等效电路如图所示。SGDBiDiDSGDBSGDiD二、二、二、二、动态分析动态分析动态分析动态分析电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻微变等效电路图微变等效电路图微变等效电路图微变等效电路图R RD DS SD DGG+-+-+-+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _ _ _U UGSGSR RGG(2)(2)动态分析动态分析动态分析动态分析电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数RG1RDRG2RG+RL+SDGT交流通路交流通路交流通路交流通路输入电阻输入电阻R RGGR RD DR RL LS SD DGG+-+-R RG1G1R RG2G2+-输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻3.源极输出器源极输出器(共漏极放大电路）共漏极放大电路）+UDD RSC2C1RG1RG2RG+RLuiuo+RG1RSRG2RG+RL+SDGT+交流通路交流通路R RGGR RS SR RL LS SD DGG+-+-R RG1G1R RG2G2+-2.2.输入电阻输入电阻1.1.电压放大倍数电压放大倍数R RGGR RS SR RL LS SD DGG+-+-R RG1G1R RG2G2+-3.3.3.3.输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻特点与晶体管的射极输出器一样特点与晶体管的射极输出器一样特点与晶体管的射极输出器一样特点与晶体管的射极输出器一样R RGGR RS SS SD DGG+-R RG1G1R RG2G2+-例：有一源极输出器，已知：例：有一源极输出器，已知：例：有一源极输出器，已知：例：有一源极输出器，已知：试估算试估算试估算试估算解：解：解：解：R RGGR RS SS SD DGG+-R RG1G1R RG2G2+-