場效應(yīng)管及其放大電路

第九講場效應(yīng)管及其放大電路一、場效應(yīng)管二、場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法三、場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析四、復(fù)合管1.4場效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；

輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。DSGN符號結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。P溝道場效應(yīng)管圖P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號GDS二、工作原理N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。

1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UGS(off)

為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG

2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負(fù)電源VGG，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID

。UGS=0，UDG<，ID

較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UGS(off),UDG>|UGS(off)|,ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)

改變UGS，改變了PN結(jié)中電場，控制了ID

，故稱場效應(yīng)管或電壓控控元件；(2)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUGS（off）圖轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈負(fù)，ID愈??；UGS=UP，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS（off)(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+mA1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性2.漏極特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS

的關(guān)系，即

結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測試電路+mA圖(b)漏極特性場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。圖在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性絕緣柵型場效應(yīng)管

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。一、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理

絕緣柵場效應(yīng)管利用UGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0

漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖1.4.9(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型襯底中的電子被吸引靠近SiO2

與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS

耗盡層變寬。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多的電子，會在耗盡層和SiO2之間形成可移動的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)

為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓。(4)

UDS對導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID

。b.UDS=UGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UGS(th)，即UGD=UGS–UDS>UGS(th)P型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖UDS

對導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)UGS<UGS(th)，ID=0；UGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UGS(th)

時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖1.4.12(a)圖1.4.12(b)二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID

減??；

UGS=-UP,感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID

0。UP

稱為夾斷電壓圖N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS

正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖MOS管的符號SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖特性曲線場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UGS(off)3.開啟電壓UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓UGS

對漏極電流ID

的控制作用。單位：ID毫安(mA)；UGS

伏(V)；gm毫西門子(mS)

這是場效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS、CGD、CDS。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS3.柵源擊穿電壓U(BR)GS

由場效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。

場效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS

，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。種類符號轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各類場效應(yīng)管的符號和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO種類符號轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+雙極型和場效應(yīng)型三級管的比較雙極型和場效應(yīng)型三級管的比較一、場效應(yīng)管（以N溝道為例）

場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。1.

結(jié)型場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道源極柵極漏極符號結(jié)構(gòu)示意圖柵-源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？VGG(uGS)VGG(uGS

)UGS（off）uGD>UGS（off）VGG(uGS

)VDD(uDS)漏-源電壓對漏極電流的影響場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD＝UGS（off）VGG(uGS

)VDD(uDS)uGD<UGS（off）VGG(uGS

)VDD(uDS)預(yù)夾斷uGS＞UGS（off）且不變，VDD增大，iD增大。VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。uGSIDSSUGS（off）夾斷電壓漏極飽和電流轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。

為什么用轉(zhuǎn)移特性描述uGS對iD的控制作用？g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預(yù)夾斷軌跡，uGD＝UGS（off）可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSΔiD

不同型號的管子UGS（off）、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo)：uGS襯底u(yù)GS2.絕緣柵型場效應(yīng)管uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí)，形成導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型管SiO2絕緣層耗盡層空穴高摻雜反型層大到一定值才開啟uDSuGSuGSuDS增強(qiáng)型MOS管uDS對iD的影響

用場效應(yīng)管組成放大電路時(shí)應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū)uGD＝UGS（th）,預(yù)夾斷iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻uGSuDS耗盡型MOS管

耗盡型MOS管在

uGS＞0、uGS

＜0、uGS

＝0時(shí)均可導(dǎo)通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在uGS＞0時(shí)仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道UGS（off）uGSiDUGS（th）uGSiDMOS管的特性1)增強(qiáng)型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓夾斷電壓uDSUGS（th）iDUGS（off）UGS=0uDSiD3.場效應(yīng)管的分類

工作在恒