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1、4 场效应管放大电路,引言： 1.场效应管的特点 (1)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。 (2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点， (3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。 (4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。,2.场效应管的分类 根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类： (1)结型场效应管(JFET) (2)绝缘栅型场效应管(IGFET)。 3.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
2、数 (3)场效应管放大电路。,4.1 结型场效应管,1结型场效应管的结构 （1）N沟道结型场效应管 在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。,场效应管的与三极管的三个电极的对应关系： 栅极g-基极b 源极s-发射极e 漏极d-集电极c 夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。 图1(a)所示的管子的N区是电流的通道，称为N沟道结型场效应管。,N沟道结型场效应管的电路符号如图1(b)所示。其中，栅极上的箭头表示栅极电流的方
3、向（由P区指向N区）。由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。,N沟道JFET的结构剖面图如图所示,图中衬底和顶部的中间都是P+型半导体，它们连接在一起（图中未画出）作为栅极g。 两个N+区分别作为源极s和漏极d。 三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。,（2）P沟道结型场效应管 如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如下,2.结型场效应管的工作原理,N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。 （1）偏置电压 N沟
4、道结型场效应管工作时，需要外加如图4所示的偏置电压.,a.栅-源极间加一负电压(vGS 0) 作用：使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。 b.漏-源极间加一正电压(vDS0) 作用：使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。,在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。 因此，讨论场效应管的工作原理就是： a.讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用 b.讨论漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。,(2)vGS对iD的控制作用 图5所
5、示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。 a. 当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图5(a)所示。 b. 当VPvGS0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图5(b)所示。,图5 VGS对沟道电阻的控制作用,C.当VGSVP时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图5(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为
6、零。这时的栅-源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。如图5(c)所示。,图5 VGS对沟道电阻的控制作用,上述分析表明: (a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效控制沟道电阻的大小. (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。 (c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。,(3) vDS对iD的影响 设vGS值固定，且VPvGS0。 (a)当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。 在vDS
7、的作用下,导电沟道呈楔形.由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为 |vGD| )，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图6(a)所示。,图6 vDS对iD的影响,导电沟道中电位分布情况,图6 vDS对iD的影响,(b)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加 它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；
8、另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。 随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。,(c)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，沟道预夹断 此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图6(b)所示，这种状态称为预夹断.与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD0。因为
9、这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。,(d)若vDS继续增加，使vDSvGSVP,即vGDVP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图6(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD不随vDS的增加而增加,基本上趋于饱和， 因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。,从结型场效应管正常工作时的原理可知： 结型
10、场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG0，输入阻抗很高。 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。 P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。,3.结型场效应管的特性曲线,由于结型场效应管的栅极输入电流iG0，因此很少应用输入特性曲线，常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。 (1)输出特性曲线 输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压vDS间的关系，即 它反映了漏-源电压vDS对iD的影响。 N沟道结型场效应管的输出
11、特性曲线如图7所示,结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。,(a) 可变电阻区 可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，它表示vDS较小、管子预夹断前，电压vDS与漏极电流iD间的关系. 在此区域内有VPvGS0，vDSvGSVP。当vGS一定，vDS较小时，vDS对沟道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与vDS之间基本呈线性关系。若 | vGS | 增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在vDS较小时，源-漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。,(b) 饱和区(恒流区、线性放大区) 当VPvGS0且v
12、DSvGSVP时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压vDS与漏极电流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化，iD已趋于饱和，但它受vGS的控制。 增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作线性放大器件用时，就工作在饱和区。 图1中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线，是结型场效应管的预夹断点（vDS=vGS-VP）的轨迹。显然，预夹断点随vGS改变而变化，vGS愈负，预夹断时的vDS越小。,(c) 击穿区 管子预夹断后，若vDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压vGD增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲
13、线进入击穿区。管子被击穿后再不能正常工作。 (d) 截止区(又称夹断区) 当栅-源电压 vGS Vp 时，沟道全部被夹断，iD0，这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图1中未标注)。,由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。 作法如下：在图7所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线，如图8(a)所示。改变vDS的大小，可得到一族转移特性曲线，如图8(b)所示。,它反映了栅-源电
14、压vGS对iD的控制作用。,（2）转移特性曲线 转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的曲线，即:,作法如下：在图7所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线，如图8(a)所示。改变vDS的大小，可得到一族转移特性曲线，如图8(b)所示。,注：书中162页图4.1.6,(VPvGS0),式中IDSS为vGS=0，vDS0时的漏极电流，称为饱和漏极电流。,由此图可以看出，当vDS大于一定的数值后(图中为vDS5V）后，不同vDS下的转移特性曲线几乎重合，这是
15、因为在饱和区内iD几乎不随vDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系。在饱和区内iD可近似地表示为,4.结型场效应管主要参数 (1) 夹断电压VP 当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅-源极间所加的电压即夹断电压。 (2) 饱和漏极电流IDSS 在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。,(3) 直流输入电阻RGS 它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电阻。 (4) 低频跨导gm 当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vG
16、S的微小变化量之比为跨导，即,gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或s表示。需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由下式求得，即,作业：习题4.1.3,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。 本节介绍的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高的输入电阻，可1015欧姆。并具有是制造工艺简单、适于集成电路的优点。 MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种。增强型MOS管在vGS=0时，没有导电沟道存在。而耗尽型MOS管在vGS=0时，就有导电沟道存在。,一、结构 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅 (SiO2) 绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上
