第4章 场效应管及其放大电路.ppt

1、8/3/2020 11:15:55 PM,第4章 场效应管放大电路,8/3/2020 11:15:55 PM,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。,8/3/2020 11:15:55 PM,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

2、介绍JFET和MOSFET的结构、工作原理、特性曲线及主要参数，再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。,8/3/2020 11:15:55 PM,4.1 结型场效应管(JFET),4.1 N

3、沟道结型场效应管,4.1.1 N沟道结型场效应管的结构,8/3/2020 11:15:55 PM,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

4、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。,8/3/2020 11:15:55 PM,4.1.2 N沟道结型场效应管的工作原理,8/3/2020 11:15:55 PM,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,8/3/2020 11:15:55 PM,8/3/2020 11:15:55 PM,沟道最宽但电流为零,沟道变窄,8/3/2020 11:15:55 PM,沟道预夹断,沟道

5、夹断,8/3/2020 11:15:55 PM,8/3/2020 11:15:55 PM,(4-1),8/3/2020 11:15:55 PM,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。,8/3/2020 11:15:55 PM,可变电阻区,截止区,放大区,击穿区,转移特性,8/3/2020 11:15:55 PM,8/3/2020 11:15:55 PM,8/3/2020 11:15:55 PM,2转移特性曲线,(4-3),(4-4),8/3/2020 11:15:55 PM,4.2 绝缘栅场效应管(IG-FET),8/3/2020 11:1

6、5:55 PM,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,8/3/2020 11:15:55 PM,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。,8/3/2020 11:15:55 PM,4.2.1.2 N沟道增强

7、型MOSFET的工作原理,8/3/2020 11:15:55 PM,反型层导电沟道,8/3/2020 11:15:55 PM,导电沟道发生变化,导电沟道夹断,8/3/2020 11:15:55 PM,8/3/2020 11:15:55 PM,8/3/2020 11:15:55 PM,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。,8/3/2020 11:15:55 PM,(4-6),8/3/2020

8、 11:15:55 PM,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 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。,8/3/2020 11:15:55 PM,“”离子,导电沟道,8/3/2020 11:15:55 PM,(4- 7),8/3/2020 11:15:55 PM,4.2.3 MOS场效应晶体管使用注

9、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

10、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，操作人员的手腕应带静电屏蔽套，并将屏蔽套可靠接地。,8/3/2020 11:15:55 PM,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

11、。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,8/3/2020 11:15:55 PM,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,双栅极FET等效,双栅极FET引脚图,8/3/2020 11:15:55 PM,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),8/3/2020 11:15:55 PM,对于增强型MOSFET，将式(4-6)代入(4-11)得到

12、增强型MOSFET的跨导为,(4-13),2) 输出电阻,(4-14),8/3/2020 11:15:55 PM,3极限参数,8/3/2020 11:15:55 PM,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。,8/3/2020 11:15:55 PM,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

13、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),8/3/2020 11:15:55 PM,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,8/3/2020 11:15:55 PM,(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

14、4-14b所示电路的输出回路(漏极回路)列出KVL方程：,(4-18),8/3/2020 11:15:55 PM,3）分压式自给偏压电路,8/3/2020 11:15:55 PM,(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。,8/3/2020 11:15:55 PM,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

15、示的跨导,是式(4-12)表示的FET输出电阻的倒数。,8/3/2020 11:15:55 PM,(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,8/3/2020 11:15:55 PM,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。,8/3/2020 11:15:55 PM,将图4-17所示共源极放大电路的交流通路和小信号微变等效电路绘成图，如图4-18所示。,8/3/2020 11:15:55 PM,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),8/3/2020 11:15:55 PM,3) 输入电阻,(4-28),4) 输出电阻,(4-29),8/3/2020 11:15:55 PM,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,8/3/2020 11: