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1、8/30/2020,第4章 场效应管放大电路,8/30/2020,基本要求,了解场效应管的分类、结型场效应管（JFET）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的结构、工作原理； 熟悉输出特性曲线和转移特性曲线，以及场效应管的主要参数； 掌握场效应管放大电路的组成、分析方法和应用。,8/30/2020,FET 特点,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(Junction Field Effect Transistor, JFET)和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET） ，其中包括耗尽型和增强型。本章先介绍JFET和MOSFET的结构、工作原理、特性曲线及主要参数，再
2、讨论场效应管放大电路的3种组态：共源极、共漏极和共栅极放大电路。,BJT工作在放大区时，输入回路的PN结(BE结)加正向偏压，输入阻抗小，且属于电流控制电流器件。场效应管(FET)虽然也是一种具有PN结的半导体器件，但它是利用器件内部的电场效应控制输出电流的大小，其输入回路的PN结通常工作在反偏压或绝缘状态，输入阻抗很高(1071012)。FET具有体积小、耗电少、寿命长、内部噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单以及便于集成等特点。,8/30/2020,如图4-1a所示，在一块N型半导体材料的各分别扩散一个高参杂浓度的P型区(用P+表示)，两侧P+区与N沟道交界处形成两个PN结，由于
3、P+区内侧耗尽层非常窄，可见这两个PN结都是非对称PN结。,两边P+区各引出一个欧姆接触电极并连接在一起，称为栅极G(Gate)；在N型半导体的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极S(Source)和漏极D(Drain)。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道。N沟道JFET的符号如图4-1c所示，其中，箭头所指方向表示栅极和源极之间的PN结加正向偏压时，栅极电流的方向是从P指向N。,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。对于P沟道JFET，在使用过程中，除了直流电源电压极性和漏极电流的方向与N型沟道JFET相反外，两者的工作原理完全一样。,
4、8/30/2020,4.1.2 N沟道结型场效应管的工作原理,8/30/2020,4.1.2.1 对导电沟道和 的控制作用,导电沟道,沟道变窄,沟道夹断,8/30/2020,8/30/2020,沟道最宽但电流为零,沟道变窄,8/30/2020,沟道预夹断,沟道夹断,8/30/2020,8/30/2020,(4-1),8/30/2020,4.1.3 结型场效应管的特性曲线,(4-2),图4-5a所示N沟道JFET的输出特性曲线。,8/30/2020,可变电阻区,截止区,放大区,击穿区,转移特性,8/30/2020,8/30/2020,8/30/2020,2转移特性曲线,(4-3),(4-4),8
5、/30/2020,4.2 绝缘栅场效应管(IG-FET),8/30/2020,4.2.1 N沟道增强型MOSFET,4.2.1.1 N沟道增强型MOSFET的结构,绝缘层,衬底,吕电极,8/30/2020,在一块掺杂浓度较低的P型半导体材料(衬底)上，利用扩散工艺在衬底上形成两个高掺杂浓度的N型区域(用N+表示)，并在此N区域上引出两个接触电极(铝电极)，分别称为源极(S)和漏极(D)，两个电极之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，该绝缘层上再沉积金属铝层并引出电极作为栅极(G)，从衬底引出的电极称为衬底电极(B)，通常将衬底电极和栅极连接在一起使用。,8/30/2020,4.2.
6、1.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理,8/30/2020,反型层导电沟道,8/30/2020,导电沟道发生变化,导电沟道夹断,8/30/2020,8/30/2020,8/30/2020,4.2.1.3 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，如图4-8所示。,图4-8b为N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线，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。,8/30/2020,(4-6),8/30/2020,4.2.2 N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图4-9a所示。耗尽型MOSFET
7、 的符号如图4-9b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 时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。,8/30/2020,“”离子,导电沟道,8/30/2020,(4- 7),8/30/2020,4.2.3 MOS场效应晶体管使用注意事项,MOS场效应晶体管在使用时应注意其分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿，使用时应注意以下规则。 (1) MOS器件启用前通常由生产厂家将MOS
8、器件装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便用其他塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起(或用锡纸包装)，以防被静电击穿。 (2) 已取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。 (3) 焊接用的电烙铁必须良好接地，不具备条件时可将电烙铁拔离交流电源插座再焊接。 (4) 在焊接前先将把电路板的电源线与地线短接，待MOS器件焊接完成后再恢复。 (5) 焊接MOS器件各引脚的顺序是漏极、源极、栅极。拆卸MOS器件时顺序相反。 (6) 电路板在装机之前先用良好接地的线夹子去碰触机器的各接线端子，再把电路板接上去。 (7) 生产过程中，在人体可能接触MOS器件的时，操作人员的手腕
9、应带静电屏蔽套，并将屏蔽套可靠接地。,8/30/2020,4.2.4 双栅场效应管(DG FET),双栅 MOS 场效应管有两个栅极，其结构示意图如图4-12所示。由于双栅MOSFET具有上、下两个栅，增强了对沟道的控制能力。对于厚膜双栅MOSFET, 硅膜在正面、背面栅压作用下的最大反型区域小于硅膜厚度, 即两个反型沟道相对独立, 而硅膜的中间部分没有反型, 没有电流通道。在这种状况下, 双栅MOSFET 相当于两个普通体硅MOSFET 的简单并联。,导电沟道,8/30/2020,国产N沟道MOSFET的典型产品单栅管有3DO1、3DO2、3DO4等，双栅管有4DO1等。,双栅极FET,双栅
10、极FET等效,双栅极FET引脚图,8/30/2020,4.3.1 FET的主要参数,1直流参数,1) 夹断电压,2) 开启电压,3) 饱和电流,4) 直流输入电阻,2. 交流参数,1) 低频跨导(互导),(4-11),(4-12),8/30/2020,对于增强型MOSFET，将式(4-6)代入(4-11)得到增强型MOSFET的跨导为,(4-13),2) 输出电阻,(4-14),8/30/2020,3极限参数,8/30/2020,4.4 场效应管放大电路,FET放大电路的分析方法与BJT放大电路的分析方法基本相同，可以用图解法和低频小信号等效(微变等效)电路法。,4.4.1 直流分析,与BJT
11、放大电路相似，给FET栅极提供直流电压的电路称为偏置电路。FET的偏置电路分为固定偏置电路、自给偏置电路和分压式偏置电路三种。,8/30/2020,1) 固定偏置电路,共源组态的基本放大电路如图4-14所示。,图4-14a是为FET提供负偏压的固定偏置放大电路，偏置电压由外加电压 提供，由于FET的输入电阻很大，流过栅极的电流几乎为零。因此， 两端的电压降为零,(4-15),8/30/2020,与BJT固定偏置电路一样，图4-14a所示FET固定偏置电路也存在着工作点不稳定的缺陷，因此，实际应用中很少使用，更常用的是自给偏压电路和分压式偏置电路。,2) 自给偏置电路,偏置电阻,8/30/202
12、0,(4-16),这种偏置电压是由FET的电流 产生的，所以称为自给偏压。,(4-17),只要将式(4-16)与(4-17)联立求解，就可以求出静态时漏极电流 和栅源电压 。,漏极电流 求出后，根据图4-14b所示电路的输出回路(漏极回路)列出KVL方程：,(4-18),8/30/2020,3）分压式自给偏压电路,8/30/2020,(4-20),(4-22),将(4-16)与(4-22)联立求解，可以得到静态时漏极电流 和栅源电压 的值。,(4-21),利用式(4-20)获得合适的 较为方便，因此，分压式自给偏压电路不仅适用于增强型FET放大电路，也同样适用于耗尽型FET放大电路。,8/30
13、/2020,4.4.2 小信号模型分析,4.4.2.1 FET的小信号等效模型,FET的输出特性可知,(4-24),是式(4-11)表示的跨导,是式(4-12)表示的FET输出电阻的倒数。,8/30/2020,(4-25),为跨导 ,单位为mA/V或mS,称为FET漏极电阻率，单位为,分布电容,8/30/2020,4.4.2.2 小信号模型分析方法,1. 共源极放大电路分析,FET放大电路的分析方法和BJT放大电路的分析方法相同。给出电路后首先应该分析电路中各元器件的作用，然后画出该电路的低频小信号等效电路图，再根据定义计算电路中的相关参数。,8/30/2020,将图4-17所示共源极放大电路
14、的交流通路和小信号微变等效电路绘成图，如图4-18所示。,8/30/2020,1) 电压增益,(4-26),式(4-26)中的“”号表示共源极放大器的倒相作用。,2) 电流增益,(4-27),8/30/2020,3) 输入电阻,(4-28),4) 输出电阻,(4-29),8/30/2020,5) 源电压增益,(4-30),4.4.3 共漏极放大电路,1) 电压放大倍数,8/30/2020,2) 输入电阻,(4-32),8/30/2020,3) 输出电阻,根据求放大器输出电阻的定义，令,保留信号源内阻,(4-33),8/30/2020,场效应管的应用示例,光耦合开关,MOS FET,保护二极管,8/30/2020,本章小结,1）介绍了J-FET和MOS FET的结构和工作原理 应熟悉场效应管的特性曲线 掌握场效应管放大电路的分析方法及其与晶体三极管放大电路的异同点 了解场效应管的应用注意事项,
