9第四章 场效应管及其放大电路

上页下页后退模拟电子技术基础4场效应管及其放大电路半导体三极管：1.两种极型的载流子（电子和空穴）都参与导电，又称为双极型晶体管，简称BJT（BipolarJunctionTransistor)。2.电流控制型器件。3.输入电流大，输入电阻小。双极型晶体管*双极型晶体管的主要特点：单极型晶体管：场效应管上页下页后退模拟电子技术基础*场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)，其主要特点：(a)参与导电作用的只有一种载流子，称为单极型晶体管(b)电压控制元器件（它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件）。输入电阻高，可达107~1015W。(c)体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单，便于集成等特点。(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。上页下页后退模拟电子技术基础1.结型场效应管，简称JFET(JunctionFieldEffectTransistor)场效应管按结构和控制电场的形式可分为：*场效应管的类型：2.绝缘栅型场效应管，简称IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)上页下页后退模拟电子技术基础结型场效应管按工作方式可分为：*场效应管的类型：绝缘栅型耗尽型增强型场效应管按其导电沟道掺杂类型可分为：P沟道N沟道场效应管P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道耗尽型增强型上页下页后退模拟电子技术基础*本章内容(1)结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数(2)绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数(3)场效应管放大电路。上页下页后退模拟电子技术基础4.1结型场效应管4.1.1结型场效应管的结构和类型sgdP+NP+SiO2保护层N沟道JFET结构示意图N沟道JFET结型场效应管分N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管上页下页后退模拟电子技术基础NP+P+形成SiO2保护层以N型半导体作衬底上下各引出一个电极左右各引出一个欧姆接触电极两边个引出一个电极两边各引出一个欧姆接触电极两边各扩散出两个高浓度的P型区上页下页后退模拟电子技术基础漏极D（drain)源极S（source)栅极G（gate)NP+P+N型导电沟道符号称为N沟道JFETgds上页下页后退模拟电子技术基础漏极D源极S栅极GNP+P+N型导电沟道符号三个区gds两个PN结总结：此管中电流有栅极电流iG，漏极电流iD上页下页后退模拟电子技术基础符号P沟道JFET结构示意图PN+N+P型导电沟道SGDgdsP沟道JFET上页下页后退模拟电子技术基础4.1.2结型场效应管的工作原理：漏极电流iD的形成过程及变化情况GDS电路图电流的变化，受电压的控制和影响。NJFET承受的电压有栅源电压uGS和漏源电压uDS1.栅源控制电压uGS对漏极电流iD的控制作用2.漏源电压uDS对漏极电流iD的影响作用上页下页后退模拟电子技术基础1．uDS=0时，uGS对沟道的控制作用a．当uGS=0时NP+P+N型导电沟道SGD=0导电沟道已经存在且无变化NJFET不允许的工作状态:uGS＞0原因？上页下页后退模拟电子技术基础b．UGS(off)uGS0NP+P+N型导电沟道SGD=0P+–+(a)两PN结加宽(b)PN结主要向N区扩展(c)导电沟道变窄(d)导电沟道电阻增大上页下页后退模拟电子技术基础NP+P+N型导电沟道SGD=0P+P+(a)PN结合拢(b)导电沟道夹断c．0uGS=UGS(off)UGS(off)——栅源截止电压或夹断电压–+上页下页后退模拟电子技术基础当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示上页下页后退模拟电子技术基础2．当uGS=0时，uDS对沟道的控制作用NP+P+N型导电沟道SGD=0–+当uDS＝0时，沟道内无电场效应，无漏极电流iD形成，处处等电位，处处PN结反偏程度相等，各点耗尽层等宽，沟道内处处等宽。上页下页后退模拟电子技术基础NP+P+N型导电沟道SGD=0–+a．0uDS|UGS(off)|(b)沿沟道有电位梯度(c)沿沟道PN结反偏电压不同(a)漏极电流iD≠0uDS增大，iD增大。uDS(d)沟道PN结呈楔形上页下页后退模拟电子技术基础NP+P+N型导电沟道SGD=0–+P+b．uDS↗=|UGS(off)|(b)iD达到饱和漏极电流IDSS(最大值)(a)沟道点夹断(预夹断)•两PN结承受的反偏电压加大，耗尽层更加变宽。最终在A点重合。A上页下页后退模拟电子技术基础c．uDS|UGS(off)|预夹断以后：(b)iD达到最大值几乎不随uDS的增大而变化NP+N型导电沟道SGD=0P+–+(a)沟道夹断区延长，区内电阻高，电压降落大，电场强，吸引自由电子滑入漏区，形成iD上页下页后退模拟电子技术基础当uGS=0时，uDS对沟道的控制作用动画演示上页下页后退模拟电子技术基础3．当uDS≥0时，uGS(≤0）对沟道的控制作用a.uDS和uGS将一起改变沟道的宽度NP+N型导电沟道SGDP+–++–c.当uDG=|UGS(off)|时，沟道出现予夹断。此时，uDS=|UGS(off)|+uGSb.PN结在漏极D端的反偏电压最大。uDG=uDS-uGS上页下页后退模拟电子技术基础uDS、uGS共同对沟道的控制作用动画演示上页下页后退模拟电子技术基础（1）JFET是利用uGS所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，（2）场效应管为一个电压控制电流型的器件。iD受uGS的控制（3）在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。小结：在P沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为正值。即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称为场效应管。上页下页后退模拟电子技术基础4.1.3结型场效应管的伏安特性在正常情况下，沟道之间的PN结是反向偏置的，有iG=0，输入电阻很高，管子无输入特性。++––上页下页后退模拟电子技术基础1．输出特性（漏极特性）++––特性曲线24061020可变电阻区放大区截止区上页下页后退模拟电子技术基础24061020可变电阻区(1)可变电阻区a.uDS较小，沟道尚未夹断b.uDS＜|UGS(off)|+uGSc.管子相当于受uGS控制的压控电阻各区的特点：GSoffGSDSDGUuuu上页下页后退模拟电子技术基础放大区(2)放大区放大区也称为饱和区、恒流区。b.uDS|UGS(off)|+uGSa.沟道予夹断c.iD几乎与uDS无关。d.iD只受uGS的控制。24061020GSoffGSDSDGUuuu上页下页后退模拟电子技术基础截止区a.uGS＜UGS(off)(3)截止区b.沟道完全夹断c.iD≈024061020上页下页后退模拟电子技术基础2．转移特性表示场效应管的uGS对iD的控制特性。定义转移特性曲线可由输出特性曲线得到上页下页后退模拟电子技术基础••••（1）对于不同的uDS，所对应的转移特性曲线不同。曲线特点：（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。••上页下页后退模拟电子技术基础2GS(off)GSDSSD)1(UuIi当管子工作于恒流区时称为零偏漏极电流GS(off)DSGSV0DDSSUuuiIDSSI上页下页后退模拟电子技术基础4.1.4结型场效应管的主要电参数1．直流参数(3)直流输入电阻RGS(1)夹断电压UGS(off)(2)零偏漏极电流IDSS（也称为漏极饱和电流）上页下页后退模拟电子技术基础2．交流参数(1)跨导gm也称为互导。其定义为：常数DSGSDmddUuig当管子工作在放大区时得管子的跨导2GS(off)GSDSSD)1(UuIi由上页下页后退模拟电子技术基础)1(2GS(off)GSQGS(off)DSSUUUI可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。DQDSSGS(off)2IIUGSDmdduig])1([2GS(off)GSDSSGSUuIdud上页下页后退模拟电子技术基础3.极限参数(1)漏极最大允许耗散功率PDSM(2)最大漏极电流IDSM(2)极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cds(3)栅源击穿电压U（BR）GS(4)漏源击穿电压U（BR）DS上页下页后退模拟电子技术基础例在图示电路中，已知场效应管的；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？（b）（c）（a）GDS解（a）因为uGSUGS(off),管子工作在截止区。上页下页后退模拟电子技术基础（b）因管子工作在放大区。（c）因这时的管子工作在可变电阻区。GDS上页下页后退模拟电子技术基础4.3绝缘栅型场效应管N沟道IGFET耗尽型增强型P沟道N沟道P沟道绝缘栅型场效应管的类别上页下页后退模拟电子技术基础4.3.1N沟道增强型绝缘栅场效应管1.结构示意图及表示符号gsdN+N+SiO2绝缘保护层AlbPGSD表示符号上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGDN+以P型半导体作衬底形成两个PN结SiO2绝缘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出两个高浓度的N区B栅极G与源极S、漏极D，并和衬底材料之间都是绝缘的，称为绝缘栅型场效应管上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGDN+SiO2保护层Al故又称为金属－氧化物－半导体场效应管即MOS管管子组成：a.金属（Metal)b.氧化物(Oxide)c.半导体(Semiconductor)上页下页后退模拟电子技术基础2.NMOS管的工作原理电路连接图PN+SGDN+–++–上页下页后退模拟电子技术基础(1)uGS=0,uDS≠0无论uDS极性如何，源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，高阻而开路，iD=0PN+SGN+iD=0D–++–栅极G绝缘，IG=0;S到D之间相当于NPN型晶体管即两个PN结背靠背对接。上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD=0D–++–2．uGS0,uDS=0产生垂直向下的电场S与B相联接，电场作用在GB之间，金属与P型材料之间为很薄的绝缘层，相当于充满介质的电容器。上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD=0D–++–电场排斥空穴形成耗尽层吸引电子上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD=0D–++–形成N型导电沟道当uGS↗=UGS(th)时出现电子层反型层上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD=0D–++–UGS(th)—开启电压N沟道增强型MOS管，简称NMOSN沟道上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD0D–++–3．当uGSUGS(th）,uDS0时.uDS(b)沿沟道有电位梯度(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大。上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD0D–++–uDS(b)沿沟道有电位梯度3．当uGSUGS(th）,uDS0时.(c)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。上页下页后退模拟电子技术基础PN+SGN+iD0D–++–uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度3．当uGSUGS(th）,uDS0时.(c)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。上页下页后退模拟电子技术基础a.uDS升高沟道变窄PN+SGN+iD0D–++–uDS反型层变窄上页下页后退模拟电子技术基础b.当uGD=uGS-uDS=UGS(th）时PN+SGN+iD0D–++–uDS沟道在漏极端夹断(b)管子预夹断(a)iD达到最大值上页下页后退模拟电子技术基础c.当uDS进一步增大(a)iD达到最大值且恒定PN+SGN+iD0D–++–uDSPN+SGN+D–++–uDS沟道夹断区延长(b)管子进入恒流区上页下页后退模拟电子技术基础增强型NMOS管工作原理动画演示上页下页后退模拟电子技术基础3．伏安特性与参数a．输出特性可变电阻区放大区截止区输出特性曲线24061020上页下页后退模拟电子技术基础(1)可变电阻区a.uD