7场效应管放大电路

半导体三极管有两大类型一是双极型半导体三极管(BJT)二是场效应半导体三极管(FET)双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种CCCS器件。场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。1.4场效应管•场效应管的特点1）压控器件：输入电压控制输出电流的半导体器件。3）抗辐射能力强：因为是单极型器件（由一种载流子参与导电的半导体器件）2）输入阻抗高4）结构简单，便于集成1）结型场效应三极管JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)2）绝缘栅型场效应三极管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）•场效应管的分类及符号绝缘栅型场效应三极管（MOSFET）分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道结型场效应三极管JFET又分为N沟道、P沟道FET绝缘栅场效应管(MOSFET)结型场效应管(JFET)增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道1.4.1结型场效应管一、结构与符号两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：g：栅极d：漏极s：源极符号：---p++p漏极d(Drain)源极s(Source)栅极g(Gate)N---gsdN沟道---gdsP沟道动画2-8Ngds+pVGG+p二、工作原理UGS0，使栅极PN结反偏，iG=0UDS0，以形成漏电流iD正常放大时外加偏置电压的要求1、栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压uGS，令uDS=0①当uGS=0时，导电沟道最宽。②当│uGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│uGS│↑到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压UP（UGS（off））——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。Ngds+pVGG+ppsd+gGGNV+pNGGg+sdpVp+二、工作原理对于N沟道的JFET，UP0。2、漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压uDS，令uGS=0由于uGS=0，所以导电沟道最宽。①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当uDS↑，使uGD=uGS-uDS=UP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，uDS↑→iD↑。预夹断后，uDS↑→iD几乎不变。④uDS再↑，预夹断点下移。Ngds+p+pdiVDDdsNgdi+pp+VDDNgsdidDDVp+p+sidgVdDDp+p+在漏源间加电压uDS，令uGS=0由于uGS=0，所以导电沟道最宽。①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当uDS↑，使uGD=uGS-uDS=UP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，uDS↑→iD↑。预夹断后，uDS↑→iD几乎不变。④uDS再↑，预夹断点下移。3、栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用iD=f（uGS、uDS）,可用两组特性曲线来描绘。Ngds+p+pdiVDDdsNgdi+pp+VDDNgsdidDDVp+p+sidgVdDDp+p+饱和漏极电流动画2-9u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V设：UP=-3V1、输出特性曲线：iD=f（uDS）│uGS=常数三、结型场效应管的伏安特性sgVdDDdiGGVp+p+uGS=0VuGS=-1V动画2-6四个区：恒流区的特点：△iD/△uGS=gm≈常数即：△iD=gm△uGS（放大原理）（a）可变电阻区（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区。（d）击穿区。u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可变电阻区uDS=uGS-UP恒流区夹断区击穿区)(offGSGSDSUuu2、转移特性曲线：iD=f（uGS）│uDS=常数可根据输出特性曲线作出转移特性曲线（在饱和区内）2)()1(offGSGSDSSDUuIi)0()(GSoffGSuUUGS(off)动画2-7N沟道JFET正常放大时各电极电压极性g、s间为反偏压（g为低电位、s为高电位）d、s间为正偏压（d为高电位、s为低电位）iG0P沟道JFET正常放大时各电极电压极性g、s间为正偏压（g为高电位、s为低电位）d、s间为反偏压（d为低电位、s为高电位）四、结型场效应管的主要参数①夹断电压UP(或UGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：DSGSDmUuig时）（当0)1(2GSPPPGSDSSmuUUUuIg或漏极电流约为零时的UGS值。UGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了uGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。④输出电阻rds：GSDDSdsUiur⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥最大漏源电压U(BR)DS⑦最大栅源电压U(BR)GS1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道PN+SGDN+以P型半导体作衬底形成两个PN结SiO2保护层引出两个电极引出两个电极引出栅极Al从衬底引出电极两边扩散两个高浓度的N区管子组成→a.金属（Metal）b.氧化物(Oxide)c.半导体(Semiconductor)故称为MOS管一、结构和符号一、结构和符号4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。二、工作原理PN+SGDN+GSuDSu–++–以N沟道增强型MOS管为例正常放大时外加偏置电压的要求：UGS0UDS0UDS0UGS0(1).uGS=0,uDS≠0PN+SGN+iD=0DDSu–++–0GSu当UGS=0V时，漏源之间相当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。1、栅源电压uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D0DSu–++–GSu(2).uGS0,uDS=0产生垂直向下的电场1、栅源电压uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D0DSu–++–GSu电场排斥空穴吸引电子形成耗尽层当0＜UGS＜UT时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限，不能形成沟道。1、栅源电压uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D0DSu–++–GSu当uGS=UT时出现反型层，形成导电沟道N沟道UT：门限电压N沟道增强型MOS管，简称NMOS1、栅源电压uGS的控制作用当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。动画2-41、栅源电压uGS的控制作用---P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid定义：开启电压UT(UGS(th))——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流iD越大。PN+SGN+iD0D–++–GSuDSuuDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度(c)绝缘层内不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大当UGS＞UT时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压uDS对漏极电流ID的影响。2、漏源电压uDS的控制作用PN+SGN+iD0D–++–GSuDSu①uDS升高uDS反型层变窄即沟道变窄当UDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从源极到漏极逐渐增大，从而使得SiO2层上的有效栅压从源极到漏极减小，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减少。2、漏源电压uDS的控制作用PN+SGN+iD0D–++–GSuDSu②当uGD=UT时uDS沟道在漏极端夹断(b)管子预夹断(a)iD达到最大值即uGS-uDS=UT时,当UDS大于一定值后，SiO2层上的有效栅压小于形成反型层所需的门限电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟道夹断，iD将不再随UDS的增大而增大，趋于一饱和值。2、漏源电压uDS的控制作用PN+SGN+iD0D–++–GSvDSv③当uDS进一步增大(a)iD达到最大值且恒定uDS沟道夹断区延长场效应管是利用栅极与源极之间的电压控制漏源电流的元件。栅极通过氧化物或绝缘体与沟道隔离，∴栅极与衬底之间没有电流，即iG=02、漏源电压uDS的控制作用2、漏源电压uDS的控制作用当uGS＞UT，且固定为某一值时，漏源电压uDS对漏极电流ID的影响。（a）uds=0时，id=0。（b）uds↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid---二氧化硅NisdNVb++DDdVP衬底GGg---GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+---P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg动画2-5GSD电路符号虚线表示沟道在施加外电压后才形成←增强型箭头朝里表示N沟道；三、增强型MOS场效应管的伏安特性四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。1、输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区（截止区）。（d）击穿区。可变电阻区恒流区夹断区击穿区)(thGSGSDSUuu三、增强型MOS场效应管的伏安特性四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。1、输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区（截止区）。（d）击穿区。可变电阻区恒流区夹断区击穿区与JFET相比，两者结构不同，产生沟道的方式不同。但都是利用沟道导电，且外特性都表现为栅源电压控制漏极电流。)(thGSGSDSUuu2、转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS(th)2)()1(thGSGSDODUuIi（当UGSUGS(th)时）其中IDO为当uGS=2UGS(th)时的iD值一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS