模拟电子技术基础课件：第五章场效应管及其放大电路

5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路 F Field ield E Effect ffect T Transistor (ransistor (FETFET)Metal Oxide Semiconductor FET(MOSFET)。又称绝缘栅型场效应三极管又称绝缘栅型场效应三极管P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号其中其中:D(Drain)为漏极为漏极,相当于相当于c；G(Gate)为栅极，相当于为栅极，相当于b；S(Source)为源极为源极,相当于相当于e。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当v vGSGS00时时无导电沟道，无导电沟道，d d、s s间加电压时，也无电流产生。间加电压时，也无电流产生。当栅极加有电压时，若当栅极加有电压时，若0 0V VGSGSV VT T 时，通过栅极和衬底间时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的的电容作用，将靠近栅极下方的P P型半导体中的空穴向下方型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流极沟通，所以不可能形成漏极电流I ID D。当当00v vGSGS V VT T 时时 在电场作用下产生导电沟道，在电场作用下产生导电沟道，d、s间间加电压后，将有电流产生。加电压后，将有电流产生。v vGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚当当V VGSGSV VT T 时（时（V VT T 称为开启电压称为开启电压)，由于此时的栅极电压已，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的经比较强，在靠近栅极下方的P P型半导体表层中聚集较多的型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流漏源电压，就可以形成漏极电流I ID D。在栅极下方形成的导。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与电沟道中的电子，因与P P型半导体的载流子空穴极性型半导体的载流子空穴极性相反，故称为相反，故称为反型层反型层。在在V VGSGS=0V=0V时时I ID D=0=0，只有当，只有当V VGSGS V VT T 后才会出现漏极电流，这种后才会出现漏极电流，这种MOSMOS管称管称为为增强型增强型MOSMOS管管。2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布当当vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD=vGSGS-vDSDS =V VT T预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2.工作原理工作原理（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGSGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDSDS 曲线曲线。3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程转移特性转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDOD VIivID0 是是VGS=2 VT时的时的iD5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理结构和工作原理（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流当当V VGSGS00时，由于绝缘层的存在，不会产生栅极电流时，由于绝缘层的存在，不会产生栅极电流i iG G,而在沟道中感应而在沟道中感应出更多负电荷（电子），使沟道变宽。在出更多负电荷（电子），使沟道变宽。在v vDSDS作用下，作用下，i iD D具有更大的值。具有更大的值。当当V VGS GS 0 VT，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设再假设工作在可变电阻区工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD)(vvVKI 2假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2.0mA)12)(2.0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2.0(5dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路2.图解分析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 高频小信号模型高频小信号模型3.小信号模型分析小信号模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得：mA5.0DQ IV2GSQ VV75.4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5.02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）s3.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvsend5.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构 JFETJFET是在是在N N型半导体硅片的两侧各制造一个型半导体硅片的两侧各制造一个PNPN结，结，形成两个形成两个PNPN结夹着一个结夹着一个N N型沟道的结构。一个型沟道的结构。一个P P区即区即为为栅极栅极，N N型硅的一端是型硅的一端是漏极漏极，另一端是，另一端是源极源极。2.工作原理工作原理同同MOSFET类似类似JFETJFET特点特点 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受vGSGS控制。控制。预夹断前预夹断前i iD D与与vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，i iD D趋于饱和。趋于饱和。JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfi2.转移特性转移特性 const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vvVVIi1.输出特性输出特性 与与MOSFET类似类似3.主要参数主要参数5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体半导体场效应管场效应管本节不做教学要求，有兴趣者自学本节不做教学要求，有兴趣者自学组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETbeLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LddsmRRrg)/(1)/(LdsmLdsmRRrgRRrg dsLdLddsm/1)/)(1(rRRRRrg CS：CD：CG：beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcRBJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：很高很高m1/gR很高很高CE：CC：CB：CS：CD：CG：dds/Rrmds1/gRrdds/Rr 各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N N沟沟道道增增强强型型P P沟沟道道增增强强型型绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P 沟沟道道耗耗尽尽型型结结型型场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P沟沟道道耗耗尽尽型型噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 可有零温度系数点可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知，mS 18m g，100 试求电路的中频试求电路的中频增益、输入电阻和输出电。增益、输入电阻和输出电。，k 1ber例题例题 gsmVg iV gsV2gsmRVg bIbI bI oVcgsmcbRVgRI MVA2mcm1RgRg 6.128 giRR coRR M 5则电压增益为则电压增益为sgiRRR ioVV由于由于则则 k 20sosMVVAV iosiVVVV MisiVARRR 6.128M VAend根据电路有根据电路有