场效应管放大电路

第4章场效应管放大电路34第4章场效应管放大电路4.1教学基本要求教学基本要求主要知识点熟练掌握正确理解一般了解场效应管的结构与类型√场效应管的工作原理√场效应管的伏安特性及主要参数√场效应管场效应管放大器的的结构、微变等效电路√场效应管放大电路的静态分析√场效应管放大电路的动态分析√场效应管放大电路场效应管三种基本放大电路√4.2重点和难点一、重点1．理解场效应管的结构、工作原理；场效应管与双极型三极管的区别。2．场效应管放大电路的小信号模型分析方法。二、难点1．正确理解结型场效应管和MOS场效应管的工作原理。2．场效应管放大电路的静态分析和小信号模型分析方法(三种基本组态、微变等效电路、主要参数计算)。4.3知识要点场效应管的结构及类型场效应管的工作原理1．结型场效应管转移特性和输出特性主要参数MOS场效应管的结构及类型MOS场效应管的工作原理2．MOS场效应管转移特性和输出特性主要参数MOS场效应管的使用注意事项静态分析3．场效应管放大电路的分析方法场效应管的小信号模型动态分析各参数的物理意义三种组态放大电路的分析第4章场效应管放大电路354.4主要内容4.4.1场效应管场效应管(FET)也是具有放大作用的三极管，但其工作原理与BJT不同。场效应管根据结构和工作原理的不同，分为两大类：结型场效应管和金属－氧化物－半导体场效应管，后者包括耗尽型和增强型。场效应管放大电路也有3种组态：共源极、共漏极和共栅极放大电路。4.4.1.1结型场效应管(JFET)一、N沟道结型场效应管1)N沟道结型场效应管的结构结型场效应管的结构示意图及其符号如图4-1所示。其中图4-1a为N沟道JFET的结构示意图。如图4-1a所示，FET也有三个电极分别称为栅极G、源极S和漏极D。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道，其符号如图4-1c所示。如图4-1b所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图4-1c所示。2)N沟道结型场效应管的工作原理(1)GSu对导电沟道和Di的控制作用当0GS=u时，导电沟道未受任何电场的作用，导电沟道最宽，当外加DSu时，Di最大；当GSu由零向负值增大时，在GSu的反向偏置电压作用下，耗尽层将加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，外加DSu时，Di将减小；当│GSu│＝GS(off)U时，两侧的耗尽层在中间完全合拢，导电沟道被夹断；相应的栅－源极之间的电压称为夹断电压GS(off)U。可见，改变GSu的大小可以有效控制导电沟道电阻的大小。3）DSu对导电沟道和Di的控制作用当GSu为某一固定值，且0GSGS(off)uU时，若0DS=u则0D=i。增大DSu，沟道中的DS之间的电位梯度将发生变化，在电场的作用下导电沟道中形成的沟道电流Di也增大。当DSu增大到GS(off)GSDSUuu-=，即GS(off)DSGSGDUuuu=-=时，靠近漏极端的耗尽层出现预夹断。这时DSu增大也不会使Di有明显的增大。沟道中相应电位差用夹断电压GS(off)U表示。预夹断处A点的电压图4-1结型场效应管的结构及符号(a)N沟道JFET的结构(c)JFET的符号N沟道P沟道gdsgds(c)(b)P沟道JFET的结构(b)(Drain)(Gate)(Source)(a)(Drain)(Gate)(Source)第4章场效应管放大电路36GS(off)U与DSu和GSu关系如下GS(off)GSDSUuu-=(4-1)4.结型场效应管的特性曲线1）输出特性曲线N沟道结型场效应管的输出特性曲线是指当栅源电压GSu一定时，FET漏极电流Di与漏源电压DSu之间的关系曲线用函数关系表示为常数==GS)(DSDuufi(4-2)JFET的输出特性曲线也分为几个区域，其曲线如表4-1所示。1)可变电阻区。2)放大区。3)击穿区。4)截止区。2．转移特性曲线转移特性是指在漏源电压DSu为某一常数时，GSu与Di之间的关系曲线，即常数==DS)(GSDuufi(4-3)由于输出特性和转移特性都是用来描述FET的电压与电流之间关系，因此，转移特性可以直接从输出特性上通过作图法求得。在0GSGS(off)≤≤uU的范围内，Di随GSu的增加(负数减小)近似按平方律上升，即2GS(off)GSDSSD)1(UuIi-=(4-4)二、绝缘栅场效应管JFET的直流输入电阻可以高达106~9Ω，为了进一步提高FET的输入电阻，可采用MOSFET场效管。由于MOSFET的栅极处于绝缘状态，其输入电阻可以高达1015Ω。1N沟道增强型MOSFET1)N沟道增强型MOSFET的结构N沟道增强型MOSFET结构的示意图如图4-2a所示，增强型MOSFET的符号如图4-2b所示。2)N沟道增强型MOSFET的工作原理(1)GSu对Di的控制作用a.0GS=u时，没有N型导电沟道b.GS(th)GSUu≥时，出现N沟道。可以通过GSu控制N型沟道的厚度，此时在DSu的作用下将产生漏极电流Di。显然GSu越大导电沟道越厚，沟道电阻值越小通常将在DSu作用下开始导电时的GSu成为开启电压，用GS(th)U表示。也正是由于这种场效应管在GS(th)GSUu≥时才形成导电沟道，才称之为增强型场效应管。(2)DSu对Di的影响dgsbdgbs(b)增强型N沟道图4-2增强型MOSFET的结构及其符号(b)增强型MOSFET的符号sgd衬底B(a)2SiO绝缘层铝电极半导体材料(a)N沟道增强型MOSFET的结构示意图P衬底+N+N阻挡层增强型P沟道第4章场效应管放大电路37当GS(th)GSUu≥导电沟道形成，此时外加漏源电压DSu将产生漏极电流Di。当DSu较小时，Di随DSu增大而迅速增大。当DSu增加到GS(th)GSDSUuu-=时，靠近漏极端的沟道厚度为零，出现预夹断。若DSu继续增大，使)(GS(th)GSDSUuu-，导电沟道的夹断点向源极方向移动，夹断区域向源极方向延伸，沟道电阻增大，电流Di趋于饱和，基本不随DSu的变化而变化，仅取决于GSu。3)N沟道增强型MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET的特性曲线也分为输出特性和转移特性。输出特性同样分为可变电阻区、放大区(饱和区)、击穿区和截止区。转移特性同样是在常数=DSu的条件下，从输出特性曲线上用作图法求出。增强型MOSFET的转移特性同样以DSu为参变量时，漏极电流Di随栅源电压GSu变化的关系曲线。漏极电流Di的近似表达式为)()1(GS(th)GS2GS(th)GSDODUuUuIi-=(4-5)式中，DOI是GS(th)GS2Uu=时的漏极电流Di。2N沟道耗尽型MOSFET1)N沟道耗尽型MOSFET的结构N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图4-4a所示。耗尽型MOSFET的符号如图4-4b所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构相似，不同之处在于N沟道耗尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的SiO2中注入一些离子(图中4-9中用“＋”表示)，使漏源之间的导电沟道在0GS=u时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。因此称为N沟道耗尽型MOSFET。由于0GS=u时就存在初始导电沟道，所以只要加上DSu就能形成漏极电流Di。2)N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线N沟道耗尽型MOSFET的漏极电流可近似表示为)0()1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSD≤≤-=uUUuIi(4-6)sgdP衬底B+N+N0D=i(a)sgdP衬底B+N+N0D=i(b)sgdP衬底B+N+NDi(c)sgdP衬底B+N+NDi(d)GGUDDUN型导电沟道⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅夹断区迅速增大饱和图4-3N沟道增强型MOSFET的基本工作原理示意图(a)无导电沟道时，0GS=u时，GS(th)GSUu≥迅速增大较小时，,)c(DDSGS(th)GSiuUu趋于饱和较大时出现夹断，,)d(DDSGS(th)GSiuUuGGUGGUDDUDDU⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅(b)出现沟道sgdP衬底衬底B(a)图4-4耗尽型MOSFET的结构及其符号(a)N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图(b)耗尽型MOSFET的符号(b)耗尽型P沟道耗尽型N沟道⋅⋅⋅⋅⋅⋅+N+N2SiO绝缘层铝电极半导体材料导电沟道阻挡层⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅第4章场效应管放大电路38式中。DSSI是0GS=u时的漏极电流。表4-1各种场效应管特性比较结构工作方式符号转移特性输出特性N沟道JFET耗尽型dgs结型场效应管P沟道JFET耗尽型dgs增强型dBsgN沟道MOS管耗尽型dBsg增强型dBsgMOS场效应管P沟道MOS管耗尽型dBsg4双栅场效应管(DGFET)-2V-4V-3V0mADiGS(off)GSDSUuu-=DSu-1VN沟道JFET0VGS(off)UVGSu0mADiDSSIN沟道JFETGS(off)GSDSUuu-GS(off)UVGSu0mADiP沟道JFETDSSIGS(off)GSDSUuu-DiGS(off)GSDSUuu-=P沟道JFET0V+1V+2V+3V0DSu+3V+1V+2V0mADiGS(th)GSDSUuu-=DSu+4VN沟道MOS增强型+5VGS(th)UVGSu0mADiN沟道增强型MOSFETGS(th)GSDSUuu-GS(off)GSDSUuu-=P沟道MOS耗尽型DSu0V-1V+1V+2V0GS(off)UVGSu0mADiDSSIP沟道耗尽型MOSFETGS(off)GSDSUuu-V2+-1V-3V-2V0mADiGS(off)GSDSUuu-=DSu0VN沟道MOS耗尽型GS(off)UVGSu0mADiDSSIN沟道耗尽型MOSFETGS(off)GSDSUuu-GS(th)GSDSUuu-=P沟道MOS增强型DSu-5V-4V-3V-2V0GS(th)UVGSu0mADiP沟道增强型MOSFETGS(off)GSDSUuu-第4章场效应管放大电路39双栅场效应管T可用来构成可控增益放大器，输入信号加在1g上，2g交流接地，改变加在2g上的偏压，就可控制放大器的增益。图4-5所示是双栅场效应管4DO1的引脚分布图。双栅场效应管多用于可控增益放大器和高频电子线路中。三、FET的主要参数及特点4.3.1FET的主要参数1)夹断电压GS(off)U2)开启电压GS(th)U1．直流参数3)饱和电流DSSI4)直流输入电阻GSR1)低频跨导(互导)DSGSDmuuig∂∂=2.交流参数2)输出电阻DDSdsiur∂∂=3）极间电容：包括栅源电容gsC、栅漏电容gdC和漏源电容dsC以及衬底B的等效电容gbC、sbC和dbC等。1)最大漏极电流DMI3．极限参数2)最大耗散功率DMP3)击穿电压4.3.2FET的特点4.3.2.1FET的特点与双极型晶体三极管相比，场效应管有其明显的特点。1)场效应管是电压控制电流器件，其输入电阻很高，栅极电流几乎为零，适用于对信号源索取电流很小的放大电路中。在用晶体管特性测试仪测试FET时，栅极须采用电压激励，这一点有别于BJT的测试。2)场效应管为多数载流子导电，因而受环境温度、辐射等外界条件影响相对较小，在工作环境变化较大的应用场合，适宜采用场效应管。3)场效应管的噪声系数较晶体三极管小，所以场效应管适宜作低噪声放大器，在多级放大器中，常用场效应管作第一级放大器。4.3.2.2场效应管的简单测试方法测试场效应管时应注意到场效应管与晶体三极管(BJT)的区别，前者是电压控制电流(VCC)后者则是电流控制电流(CCC)。4.4场效应管放大电路场效应管(FE