第3章场效应管4.

第3章场效应晶体管和基本放大电路作业：习题：3-1、3-3、3-4、3-7、3-11第3章场效应晶体管和基本放大电路3.1场效应晶体管3.2场效应管放大电路本章的重点与难点重点:理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。难点:通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。第3章场效应晶体管和基本放大电路分类：结型(JFET)绝缘栅型(IGFET)场效应管输入回路内阻很高(107~1012)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。3.1场效应晶体管3.1.1结型场效应管N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s，P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟道。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极DNNPP结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。1.结型场效应管的结构结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号2.工作原理－－电压控制作用d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图(以N沟道为例加以说明)在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。正常工作时在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了ugs对沟道电流iD的控制。d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图（1）ｇ、ｓ间和ｄ、ｓ间短路耗尽区很窄,导电沟道宽|UGS|增加到某一数值,耗尽区相接,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断此时ＵGS的值为夹断电压UGS（off）|UGS|增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电阻增大。（2）ｇ、ｓ间加负电压和ｄ、ｓ间短路由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。UDS的作用产生漏极电流ID，使沟道中各点和栅极间的电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。dsgUDSiD（3）ｇ、ｓ间短路，ｄ、ｓ间加正向电压随着UDS的增加，ID近似线性增加,d—s间呈电阻特性。UGD=UGS-UDS=-UDSUDSdsgAID随着UDS增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。此时，UGD=UGS（off）UDS再增加，夹断区长度增加（AA'）。预夹断时，导电沟道内仍有电流ID，且UDS增大时ID几乎不变，此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”A'当UDS增加到UGS（off），漏极附近的耗尽区相接，称为预夹断。ｇ、ｓ间的负电压使导电沟道变窄（等宽），ｄ、ｓ间的正电压使沟道不等宽。UGS增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，同样UDS的产生的ID减小。dsgUDSUGSID（4）ｇ、ｓ间加负向电压，ｄ、ｓ间加正向电压（综合（2）（3）两种情况）称场效应管为电压控制元件。由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。ID几乎仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。A'dsgUDSUGSID1）UGDUGS（off）时（未出现夹断前）,对于不同的UGS，漏源之间等效成不同阻值的电阻，ID随UDS的增加线性增加。（对应可变电阻区）2）UGD=UGS（off）时，漏源之间预夹断。3）UGDUGS（off）时，ID几乎只决定于UGS，而与UDS无关，可以把ID近似看成UGS控制的电流源。（对应恒流区，即放大区）通过以上分析有：3.结型场效应管的特性ID=f(UDS)UGS=常数（1）输出特性曲线因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。输出特性和转移特性场效应管工作区域：可变电阻区（非饱和区）恒流区（电流饱和区、放大区）夹断区（截止区）击穿区（电流突然增大）预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD=UGS（off）的点而成。1)可变电阻区：预夹断轨迹左边区域。条件：|UGD||UGS（off）|。特点：可通过改变UGS大小来改变漏源间电阻值。2)恒流区：预夹断轨迹右边区域。条件：|UGD||UGS（off）|特点：ID只受UGS控制3)夹断区（截止区）：导电沟道全部夹断。条件：｜UGS｜｜UGS（off）｜特点：ID04)击穿区：UDS增加到一定程度，电流急剧增大。IDSSUGS=0时产生预夹断时的漏极电流（2）转移特性ID=f(UGS)UDS=常数反映UGS对ID的控制作用432104812UGS=0V–3V–4V输出特性转移特性123–1V–20–1–2–3UGS(off)ID/mAID/mA转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系–44UDS=8V恒流区ID近似表达式为：2)()1(offGSGSDSSDUUII管子工作在可变电阻区时，不同的UDS，转移特性曲线有很大差别。30–1–2–3UGS(off)ID/mA–4IDSS12N沟道结型场效应管，栅源之间加反向电压。P沟道结型场效应管，栅源之间加正向电压。1.4.2绝缘栅型场效应管（MOS管)栅-源电压为零时，无导电沟道的管子称为增强型。栅-源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型。MOS管分类：N沟道（NMOS）增强型耗尽型P沟道（PMOS）增强型耗尽型绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为MOS管。1、N沟道增强型MOS管（1）结构通常衬底和源极连接在一起使用。栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。P型硅衬底源极S栅极G漏极D衬底引线BN+N+SiO2DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号栅-源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。SiO2P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。（2）工作原理1)UGS=0由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2的空穴，将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。PN+N+SGD反型层2）UGS0，UDS=0UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样的ＵＤＳ产生的电流ＩＤ越大．此时的栅-源电压称为开启电压UGS(th)UDS作用产生漏极电流ID。沟道各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。3）UGSUGS(th），UDS0P衬底BN+N+SGDUGD=UGS-UDSUGSID随着的UDS增加而线性增大。随着UDS的继续增大，UGD减小，当UGD=UGS(th）时，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为预夹断。UDS继续增大，夹断区延长，漏电流ID几乎不变，管子进入恒流区，ID几乎仅仅决定于UGS。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。3）UGSUGS(th），UDS0P衬底BN+N+SGD4321051015UGS=5V6V4V3V2ViD/mAN沟道增强型MOS管的特性曲线0123恒流区击穿区可变电阻区246uGS/V（3）特性曲线UGs(th)输出特性转移特性iD/mA夹断区2)(0)1(thGSGSDDUUIIID和UGS的近似关系：ID0是UGS=2UGS(th)时的ID。0123246UGS/VUGs(th)ID/mAID0制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS=0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS，就会产生ID。结构示意图P源极S漏极D栅极GBN+N+正离子反型层SiO22、N沟道耗尽型MOS管只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off)。dN沟道符号BsgP沟道符号dBsgMOS管符号DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽型MOS管符号增强型MOS管符号432104812UGS=1V–2V–3V输出特性转移特性N沟道耗尽型MOS管的特性曲线1230V–1012–1–2–32.特性曲线IDUGSUGs(off)ID/mAID/mA场效应管的符号及特性(p76）结型N沟道结型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区截止区可变电阻区3.1.3场效应管的主要参数1、直流参数（1）开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负）（2）夹断电压UGS(off)UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负，PMOS管为正）。（4）直流输入电阻RGS（DC）栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为107-1010左右。（3）饱和漏极电流IDSS对于耗尽型MOS管,在UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流。2、交流参数gm=iD/uGSUDS=常数gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。（1）低频跨导gm管子工作在恒流区并且UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即（2）交流输出电阻rdsrds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数．rds在恒流区很大。常数GSUDDSdsiur3.极限参数(1)最大漏极电流IDM管子正常工作时漏极电流的上限值。(2)最大漏源电压UDS(BR)管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏-源击穿电压。(管子的极限参数，使用时不可超过。)(3)最大栅源电压UGS(BR)对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称为栅-源击穿电压。对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅-源击穿电压。(4)最大耗散功率PDMPDM决定于管子允许的温升。(管子的极限参数，使用时不可超过。)1.场效应管利用栅源电压控制漏极电流，是电压控制元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大；晶体管利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗较小。场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，能实现对信号的控制。3.1.4场效应管与双极型晶体管的比较2.晶体管放大电路的放大倍数通常比场效应管的大。3.场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4.场效应管比晶体管噪声系数小。5.场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。6.场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.ＭＯＳ管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8.场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。例已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。N沟道增强型MOS管。2105101510V8V6ViD/mA4V开启电压UGS(th)=4V例电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kΩuo+-uI+-2105101510V8V6ViD/mA4VVVRiVuu