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1、第九讲 场效应管及其放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,四、复合管,1.4场效应三极管,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,符号,1.4.1结型场效应管,一、结构,图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道
2、结型场效应管。,二、工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UGS(off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压 UGS(off) 为负值。,2. 在漏源极间加正向 VDD，
3、使 UDS 0，在栅源间加负电源 VGG，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID 。,UGS = 0，UDG ，ID 较大。,UGS 0，UDG ，ID 较小。,注意：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),UGS 0,UDG = |UGS(off)|, ID更小, 预夹断,UGS UGS(off) ,UDG |UGS(off)|,ID 0,夹断,(1) 改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID ，故称场效应管或电压控控元件； (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),三、特性曲线,1.
4、转移特性(N 沟道结型场效应管为例),图 1.4.6转移特性,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID),夹断电压 UGS（off)(ID = 0 时的 UGS),1. 转移特性,2. 漏极特性,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。,2. 漏极特性,图 1.4.6(b)漏极特性,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用
5、作图的方法得到相应的转移特性。,UDS = 常数,UDS = 15 V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性,1.4.2绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1
6、. 结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 1.4.8N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,2. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,工作原理分析,(1)UGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(2) UDS = 0，0 UGS UT,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,(3) UDS = 0，UGS UGS(th),由于吸引了足够
7、多的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 ,反型层、N 型导电沟道。 UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。,UGS(th) 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,(4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。,b. UDS= UGS UGS(th)， UGD = UGS(th),靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c. UDS UGS UGS(th)， UGD UGS(th),由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。,a
8、. UDS UGS(th),图 1.4.11UDS 对导电沟道的影响,(a) UGD UGS(th),(b) UGD = UGS(th),(c) UGD UGS(th),3. 特性曲线,(a)转移特性,(b)漏极特性,UGS UGS(th) ，ID = 0；,UGS UGS(th)，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UGS(th) 时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。,图 1.4.12 (a),图 1.4.12 (b),二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负
9、电荷，形成“反型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,UGS = 0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小；,UGS = - UP , 感应电荷被“耗尽”，ID 0。,UP 称为夹断电压,图 1.4.13,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件： UDS 0； UGS 正、负、零均可。,图 1.4.15MOS 管的符号,图 1.4.14特性曲线,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UGS(off),3. 开启电压 UGS(th),4. 直流输入电阻 RG
10、S,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,1. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2. 漏源击穿电压 U(BR)DS,3. 栅源击
11、穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线,双极型和场效应型三级管的比较,双极型和场效应型三级管的比较,一、场效应管（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,1. 结型场效应管,导
12、电沟道,源极,栅极,漏极,符号,结构示意图,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,漏-源电压对漏极电流的影响,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,预夹断,uGSUGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。,VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uDSUGS（off）。,为什么用转移特性描述uGS对iD的控制作用？,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，u
13、GDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,击 穿 区,夹断区（截止区）,夹断电压,IDSS,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,2. 绝缘栅型场效应管,uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,增强型管,SiO2绝缘层,耗尽层,空穴,高掺杂,反型层,大到一定值才开启,增强型MOS管uDS对iD的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS（th）,预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹
14、断,uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,耗尽型MOS管,耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,3. 场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,二、场效应管静态工作点的设置方法 1. 基本共源放
15、大电路,根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源,2. 自给偏压电路,由正电源获得负偏压 称为自给偏压,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,3. 分压式偏置电路,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,即典型的Q点稳定电路,为什么加Rg3?其数值应大些小些？,三、场效应管放大电路的动态分析 1. 场效应管的交流等效模型,近似分析时可认为其为无穷大！,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,与晶体管的h参数等效模型类比：,2. 基本共源放大电路的动态分析,若Rd=3k， Rg=5k， gm=2mS，则 与共射电路比较。,3. 基本共漏放大电路的动态分析,若Rs=3k，gm=2mS，则,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?,四、复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,讨论一判断下列各图是否能组成复合管,在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。,清华大学 华成英 ,Ri=? Ro=?,讨论二,
