1、第8章 场效应管及其放大电路,本章介绍的场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件，属于电压控制电流源器件，用VCCS表示。,场效应管的分类：,从参与导电的载流子来划分：,N沟道器件,P沟道器件,从场效应管的结构来划分,绝缘栅型场效应管IGFET,结型场效应管JFET,8.1 绝缘栅型场效应管,按照导电沟道的形成机理不同，N沟道MOSFETP沟道MOSFET又各有增强型和耗尽型两大类。,8.1.1 N沟道增强型MOSFET,1.N沟道增强型MOSFET的结构,结构示意图:,结构剖面图:,符号:,2.N沟道增强型MOSFET的工作原理,场效应管的栅源电
2、压vGS及漏源电压vDS都会对管子的工作状态有影响。,（1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用,vGS0时，没有导电沟道：漏极电流iD0，,当vDS0且vGS0时，由于栅极和源极之间、栅极和漏极之间均被SiO2绝缘层隔开，所以栅极电流为零。,同时栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极指向衬底的电场。,vGS vT时，形成导电沟道：,在这个电场的作用，栅极下方P型半导体中的多数载流子（空穴）被排斥，留下不能移动的负离子，从而形成耗尽层。,电场也将P型衬底中的少数载流子（电子）吸引到到栅极下的衬底表面，形成一个N型薄层，称为反型层。,反型层把左右两个N区连接起来，构成了漏极与源极之间的
3、导电沟道。,使导电沟道刚刚形成的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示，有时也用VGS(th)表示。,在vGSVT时，N沟道MOS管不能形成导电沟道，管子处于截止状态。,只有当vGSVT时，才有沟道形成。,必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管.,导电沟道形成以后，在漏源极间加上正电压vDS，就产生漏极电流iD。,（2）vDS对导电沟道和漏极电流iD的影响,设vGS=VGSVT，且为定值。,若vDS0，此时尽管有导电沟道，漏极还是没有电流，iD0:,由于源极和衬底相连，如果作用负的漏源电压（vDS0），则漏区与衬底间的PN结将正向导通，将导电沟道短路，这是不允许的。,因
4、此，漏源电压必须大于零（vDS0）。,(a) vDS0时，iD0;,(b) vDS较小(vDS vGS-VT) 时，iD随vDS变化;,在漏极和源极之间加正电压（vDS0）时，沟道中就有电流iD流过。,由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道形成的源极端小、漏极端大的电位分布，导致沟道内的电场强度沿沟道从漏极端到源极端逐渐减小，沟道厚度亦从漏极端到源极端逐渐减小;,(c) vDS增大到vDS=vGS-VT时，预夹断,当vDS足够大时，使vGD=vGS-vDS略小于开启电压VT，,则靠近漏极的电场强度不能吸引足够的电子形成的反型层，此处沟道刚好被夹断，称为预夹断，,预夹断对应的临界漏源电压方程为
5、vGS-vDS =VT。,预夹断前，沟道电阻基本不变，漏极电流iD随vDS线性增加。,预夹断以后，由于夹断区电阻远比未夹断区电阻大，vDS增加的部分几乎全部作用在夹断区，未夹断区则基本保持预夹断时的电压，形成的沟道电流基本不变。,预夹断后漏极电流基本保持预夹断前的电流，不再随的vDS增加而变化，具有恒流特性。,(d) vDSvGS-VT时，iD饱和,若vDS继续增加，预夹断向源极方向延伸。,预夹后的漏极电流与栅源电压有关，反映了MOS管的电压控制电流的特性。,晶体管：（iC/iB）,场效应管用低频跨导gm来描述动态情况下栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用：,gm越大，栅源电压vGS对漏极电
6、流iD的控制作用越强。,gm是转移特性曲线某一点的斜率。由于转移特性曲线的非线性， iD越大， gm也越大。,结论： MOS管的导电沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以称为单极型晶体管。,MOS管栅极是绝缘的，栅极输入电流近似为零。,漏极电流iD受栅源电压vGS的控制，即MOS管是电压控制电流器件。,预夹断前iD与vDS，近似呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,3.N沟道增强型MOSFET的特性曲线及电流方程,特性曲线有2条：输出特性转移特性,（1）输出特性,在栅源电压vGS为常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS的关系称为输出特性。,输出特性可分为：截止区可变电阻区恒流区。,预夹断轨迹是
7、可变电阻区和恒流区的分界线；,vGS=VT则是恒流区和截止区的分界线。,截止区,靠近横轴、iD近似为零的区域是截止区。,在截止区内，vGSVT，导电沟道尚未形成，iD0，MOS管截止。,可变电阻区,预夹断轨迹左边的区域即是可变电阻区。,当vDS(vGS-vT)时，导电沟道未被预夹断。沟道电阻受栅源电压vGS的控制，与漏源电压vDS基本无关。?,漏极电流iD与漏源电压vDS基本上成正比。,恒流区（也称饱和区）,预夹断轨迹右边的区域是恒流区。,当vDS(vGS-vT)时，导电沟道被预夹断。,漏极电流iD基本不随vDS的增加而变化，具有恒流特性。因此，称该区域为恒流区。,iD受vGS的控制，等效为电
8、压控制电流源。,放大电路中的场效应管应该工作在恒流区内。,（2）转移特性曲线,MOS管是栅源电压控制漏极电流。,定义为漏源电压vDS一定时，漏极电流iD与栅源电压vGS的函数，即,输出特性曲线上，做垂直于横轴的一条垂直线（vDS=常数），直线与多条输出特性曲线相交于a、b、c、d点，将上述各点对应的iD和vGS的数值描绘在iDvGS的直角坐标系中，连接各点所得到的曲线就是转移特性曲线,当管子工作在恒流区时，iD基本上不受vDS的影响，因此，在恒流区内不同vDS下的转移特性曲线基本重合，可以用一条曲线代替恒流区的所有转移特性曲线。,N沟道增强型MOS管工作在恒流区时:,式中，IDO是MOS管工作
9、在恒流区且vGS2VT时对应的漏极电流。,8.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1.N沟道耗尽型MOSFET的结构和基本工作原理,结构示意图:,符号:,当vGS=0时:,正离子产生垂直于P型半导体的电场，其强度足以感应出一定厚度的反型层（N型），形成导电沟道。,工作原理:,作用漏源电压vDS，就会有产生漏极电流iD。,当vGS0时：,将会在沟道中感应出更多的电子，使导电沟道变厚，沟道电阻变小，从而使漏极电流iD增大。,当vGS0时：,则会使导电沟道变薄，沟道电阻变大，从而使漏极电流iD减小。,当vGS的负电压达到一定值时，反型层消失，不存在导电沟道，即使有漏源电压vDS，也不会有漏极电流iD。
10、,对应于沟道完全消失的栅源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。,2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线及电流方程,2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线及电流方程,当N沟道耗尽型MOS管工作在恒流区时：,IDSS是N沟道耗尽型MOS管工作在恒流区且vGS0时的漏极电流。,例8.1 电路如图(b)所示，场效应管T的输出特性如图（a）所示，试分析当vi分别为0V，6V，10V时，vo应为多少？,解：,（1）当vGS=vI=0V时，管子处于截止状态，iD0。所以vO= vDS =VDD- RiD =15V,例8.1 电路如图(b)所示，场效应管T的输出特性如图（a）所示，试分析当vi分别为0V，6V
11、，10V时，vo应为多少？,iD=1mA,（2）当vGS=vI=6V时，由图(a)可知，VT=4V,管子导通,假设管子工作在恒流区，则,vO=vDS=VDD-R iD=15-51=10V,因为vGS-VT=6-4=2V，,所以vDSvGS-VT，,假设成立，vO=10V。,管子工作在恒流区，,解：,例8.1 电路如图(b)所示，场效应管T的输出特性如图（a）所示，试分析当vi分别为0V，6V，10V时，vo应为多少？,（3）当vGS=vI=10V时，假设管子工作在恒流区，,解：,则iD=2mA，,vO= vDS =VDD- RiD=15-52=5V,因为vGS-VT=10-4=6V，所以vDS
12、vGS-VT，管子工作在可变电阻区，,假设不成立。,由图(a)可得，当vDS=10V时，,rDS=vDS/iD5/2=2.5k,8.1.3 P沟道MOSFET,P沟道MOSFET也有增强型和耗尽型两种。,P沟道增强型MOSFET结构示意图：,P沟道增强型,P沟道耗尽型,符号：,当负的栅源电压足够大时（vGSVT0）时，形成P型导电沟道，连接漏区和源区（P+）。,导通条件：vGSVT,在P沟道增强型MOSFET栅极下面的绝缘层中掺入足够的负离子则形成P沟道耗尽型MOSFET。,导通条件：,8.1.4 MOSFET的主要参数,1.直流参数,1）开启电压VT,VT是增强型场MOS管的重要参数。,当v
13、DS为一固定值时，使漏极电流iD大于零所需要的最小栅源电压值即为开启电压VT。,2）夹断电压VP,VP是耗尽型MOS管的重要参数。,当vDS为一固定值时，使漏极电流iD减小到某一个微小电流(例如10uA)时所需的vGS值。,3）饱和漏极电流IDSS,IDSS也是耗尽型MOS管的一个重要参数。,当栅源电压vGS等于零，而漏源电压vDS大于夹断电压VP时的漏极电流，称为饱和漏极电流IDSS。,4）直流输入电阻RGS(DC),在漏源之间短路的条件下，栅源之间的直流电阻值，它等于栅源电压与栅极电流之比，MOS管的RGS(DC)约是1091015。,2.交流参数,1）低频跨导gm,低频跨导是指vDS为某
14、一定值时，漏极电流的微变量iD和引起这个变化的栅源电压的微变量vGS之比，即,gm反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制能力，单位为西门子（S）或mS，gm一般为几mS。,由于转移特性曲线是非线性曲线，各点切线的斜率是不一样的，iD越大，gm也愈大。,2）输出电阻rds,输出电阻rds说明了vDS对iD的影响，它是输出特性上某一点切线斜率的倒数，rds一般约为几十千欧到几百千欧。,3）极间电容,通常栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd约为13pF，漏源电容约为0.11pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。,3.极限参数,1）最大漏极电流IDM,IDM是管子正常工作时所允许的漏极电流的上限值。,
15、2）最大耗散功率PDM,vDS iDPDM,3）漏源击穿电压V(BR)DS,漏源间能承受的最大电压，当vDS值超过V(BR)DS时，栅漏间发生击穿，iD开始急剧增加。,4）栅源击穿电压V(BR)GS,栅源间所能承受的最大反向电压，当vGS值超过V(BR)GS时，栅源间发生击穿，反向电流iD由零开始急剧增加。,8.2 结型场效应管(JFET),8.2.1 JFET的结构和工作原理,1.JFET的结构,结型场效应管也有：N沟道P沟道,N沟道JFET的结构示意图：,N沟道JFET的符号：,N沟道JFET的结构图：,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，形成两个PN结；,把两个P+区
16、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。,2.JFET的工作原理,工作原理是：通过改变PN结耗尽层宽度调整导电沟道的厚薄，从而实现对导电沟道电流的控制。,当PN结反向偏置时，其耗尽层宽度改变明显。所以，JFET的PN结必须反向偏置，才能有效地调整导电沟道的厚薄。,与MOS管一样，讨论JFET的工作原理同样是讨论vGS对iD的控制作用和vDS对iD的影响。,N沟道JFET的工作原理：,（1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用,a）当vGS =vDS0时，PN结耗尽层窄，导电沟道宽，漏源间的电阻最小。,vGS=0V,当PN结正向偏置时，其耗
17、尽层宽度改变甚小。,N沟道JFET的工作原理：,（1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用,b)当vDS0和vGS0时，,栅源之间的PN结反向偏置，两个PN结的耗尽层加宽，使得中间的N型导电沟道变窄，漏源间的电阻增大。,b) VP vGS 0V,a)vGS=0V,比较沟道宽度,c)当PN结的反向电压足够大时，,两个PN结的耗尽层合拢，导电沟道消失，漏源间的电阻最大。,对应于导电沟道刚刚消失的栅源电压称为夹断电压，用VP表示。,c) vGS VP, 导电沟道消失,如果在漏源之间作用正电压vDS，则在vGS由0至VP的变化过程中，导电沟道电阻逐渐增大，漏极电流iD逐渐减小。实现了栅源电压对漏极电流
18、的控制。,（2）vDS对导电沟道和漏极电流iD的影响,N沟道JFET的工作原理：,设VPvGS0，且vGS为定值。,a) vDS vGSVP,当作用正的漏源电压vDS时，使PN结的反向电压增大，另一方面在导电沟道中产生电流，即漏极电流iD。,PN结的宽度不同，即漏极端宽、源极端窄,iD在导电沟道中形成漏极端大、源极端小的电位分布，致使PN结的反向电压不等，即漏极端大、源极端小。,a) vDS vGSVP,b) vDS =vGSVP,b) vDS =vGSVP,当vDS增大到使PN结漏极端的反向电压等于夹断电压，即vDS-vGS=|VP|时，,漏极端的2个PN结合拢，导电沟道发生预夹断;,再增加
19、vDS，则预夹断向源极方向延伸，如图c）所示。,c) vDS vGSVP,c) vDS vGSVP,预夹断前，沟道电阻基本不变，漏极电流iD随vDS线性增加。,预夹断以后，由于预夹断区无载流子，夹断区电阻比未夹断区电阻大，vDS增加的部分几乎全部作用在夹断区，未夹断区则基本保持预夹断时的电压，形成的沟道电流基本不变。,预夹断后漏极电流基本保持预夹断前的电流，不再随的vDS增加而变化，具有恒流特性。,JFET的导电沟道中只有一种类型的载流子参与导电。与MOS管一样，也是单极型晶体管。,iD受vGS控制，JFET是电压控制电流器件。,预夹断前iD与vDS，近似呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,
20、P沟道结型场效应的工作原理与N沟道JFET的工作原理相似，不再赘述。,综述,N沟道JFET的特性曲线：,8.2.2 JFET的特性曲线,(a) 输出特性：,(b)转移特性：,三个工作区域：可变电阻区恒流区截止区。,工作在饱和区时，漏极电流方程是,（VP vGS-VP）,上式实际上也是工作在饱和区时转移特性曲线的近似函数。,各类场效应管的符号及特性曲线表：,P沟道,8.3 场效应管放大电路,场效应管具有输入电阻高的特点，它适用于作为多级放大电路的输入级，尤其对高内阻的信号源，采用场放管才能有效地进行放大。,8.3.1 场效应管放大电路的3种组态,8.3.2 直流偏置电路和静态分析,场效应管静态偏
21、置电路必须建立合适的栅源电压VGS，并产生适当的漏极电流。,1.固定偏压式共源放大电路,VGG为MOS管提供大于开启电压VT的直流偏置电压，,VDD和偏置电阻Rd提供漏极直流电流通路。,静态分析方法：图解法和计算法。,(1) 图解法求静态工作点,令vi=0，,电容C在直流通路中相当于开路。,vGS=VGG ,vDS=VDDiDRd ,在输出特性上做出方程的直线;,与vGSVGG的输出特性曲线的交点Q即为静态工作点;,读出其对应的坐标，即是MOS管的漏源直流电压VDS和漏极直流电流ID。,(2) 计算法求静态工作点,当N沟道增强型MOS管工作在恒流区时，iD的近似表达式为:,得方程组：,解得静态
22、工作点Q（VGS，VDS，ID）。,由于栅极的直流偏置电压是一个固定值（vGSVGG），所以称为固定偏压式电路。,2.自给偏压式共源放大电路,令vi=0，电容在直流通路中相当于开路。,由于vGS-RsiD，即栅源偏置电压是由MOS管的漏极电流自己形成的，故称为自给偏压电路。,显然，用N沟道耗尽型MOS管也可组成自给偏压电路。,用增强型MOS管却不行，因为在栅源电压为零时，增强型MOS没有导电沟道，即无漏极电流，不能形成自偏压。,例 8.2 共源放大电路如图所示。图中，Rg =1M，Rs=2k，Rd=12k ，VDD=20V，IDSS=4 mA，VP =4V，求ID和VDS。,解:,方程组中，电
23、压的单位是V，电流的单位是mA ,电阻的单位是k。,将第一个方程代入第3个方程，得,解得：,ID1=4mAvGS1=-2ID1=-8VVP=-4V,T为N沟道JFET,(舍去),3.分压式偏置共源放大电路,直流通路:,分压式偏置电路可以适合于任何N沟道场效应管（增强型和耗尽型MOS管、JFET）,例 8.3 N沟道耗尽型MOS管共源放大电路如图所示，VP= 0.8V，IDSS=0.18mA；VDD=24V，Rg1 =64k，Rg2 =200k，Rg =1M，Rs1=10k，Rs2=2k，Rd=10k ，求静态工作点Q。,解：,上述方程中，电压的单位是V，电流的单位是mA ,电阻的单位是k。,解
24、得ID1 = 0.69 mA，VGS = 2.5V (小于VP，舍去)。,ID2= 0.45 mA，VGS = 0.4V ，大于夹断电压VP，是正确解。则,8.3.3 小信号模型和动态分析,与晶体管放大电路一样，可以采用图解法和小信号线性模型求解场效应管放大电路的交流分量。,1.场效应管的低频小信号等效模型,与分析三极管的H参数小信号模型一样，将场效应管也看成一个双端口网络，栅极与源极之间视为输入端口，漏极与源极之间视为输出端口。,以N沟道增强型MOS管为例:,iG=0iD=f(vGS，vDS),为了求MOS管在静态工作点Q附近的交流量，对方程作两边求全微分，得 :,令,用交流信号ig、vgs
25、、id、vds分别表示iG、vGS、iD、vDS的变化量diG、dvGS、diD、dvDS, 则,小信号模型:,在低频小信号模型中，输入回路相开路，输出回路是一个理想电压控制电流源gmvgs与一个电阻rds的并联。,化简,小信号模型,简化小信号模型,通常rds约为几十千欧几百千欧。在实际电路中，如果rds对电流源gmvgs的分流作用很小，则可省去该电阻.,由N沟道增强型MOS管转移特性方程，得,在静态工作点附近，iDID，即静态漏极电流。所以,同理，可求得耗尽型MOSFET的gm:,2.场效应管的高频小信号等效模型,同晶体管一样，场效应管的各个电极之间也存在极间电容。,在场效应管的低频小信号模
26、型的基础上增加极间电容，则可画出场效应管的高频小信号模型:,N沟道增强型MOS管,高频小信号模型,Cgs、Cgd和Cds分别是栅源之间的电容、栅漏之间的电容和漏源之间的电容，Cgb为栅极衬底之间的电容。,通常可以认为栅源电阻rgs及栅漏电阻rds相当于开路。,3.应用小信号模型分析场效应管放大电路,(1) 自给偏压式共源放大电路的动态分析,中频小信号等效电路:,电压增益:,式中，,共源放大电路的输出电压与输入电压反相;,放大能力（增益的绝对值）与跨导和漏极等效交流负载成正比。,输入电阻:,输出电阻:,计算输出电阻的等效电路:,例8.4 N沟道耗尽型MOS管共源放大电路如图所示。已知VDD=20
27、V，Rg=1M，Rs=2k，Rd=12k，RL=6k，IDSS=4mA，VP=-4V，求电压增益、输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：静态分析,在例8.1中已经解出静态工作点：ID=1mA，VGS=-2V，VDS=6V。,动态分析,小信号等效电路:,(2) 分压式共源放大电路的动态分析,放大电路如图:,小信号等效电路:,电压增益:,式中，,输入电阻:,计算输出电阻的等效电路:,输出电阻:,例8.5 N沟道耗尽型MOS管组成的共源放大电路如图8.3.6所示。VP= 0.8V，IDSS=0.18mA；VDD=24V，Rg1 =64k，Rg2 =200k，Rg =1M，Rs1=10k，Rs2=2k，R
28、d=10k ，RL=10k，求电压增益、输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：静态分析,在例8.3中已经解出静态工作点：ID= 0.45 mA，VGS = 0.4V，VDS=14.1V。,动态分析,小信号等效电路,电压增益:,输入电阻:,输出电阻:,8.4 BJT与FET的组合放大电路,8.4.1 BJT基本放大电路和FET基本放大电路的比较,场效应管放大电路的共源电路、共漏电路、共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路、共集电路、共基电路相对应。,共源电路与共射电路均有电压放大作用，且输出电压与输入电压相位相反，因此，可统称这两种放大电路为反相电压放大器。,共漏电路与共集电路均没有电压放大作用且输
29、出电压与输入电压同相位，因此，可将这两种放大电路称为电压跟随器。,共栅电路和共基电路均有输出电流与输入电流近似相等，因此，可将它们称为电流跟随器。,场效应管放大电路最突出的优点是：共源、共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共射、共集和共基电路的输入电阻。,由于场效应管的低频跨导一般比较小，所以场效应管的放大能力比三极管差。,8.4.2 共源共射组合放大电路,由前面的分析可知，场效应管具有比晶体管放大电路更高的输入电阻，但是因为场效应管的低频跨导gm较小， 导致增益也较小。,如果输入级采用场效应管放大电路，后级采用三极管放大电路的组合，则既能保持场效应管的高输入电阻的特点，又能克服场效应管增益较小
30、的缺点。,共源共射组合放大电路:,1.静态分析:,第一级的分压式场效应管偏置电路，第二级是晶体管的射极偏置电路，参考相应章节。,2.动态分析：,画出小信号等效电路；,（1）电压增益Av,Av1为第一级共源放大电路的电压增益，Av2为第二级共射放大电路的电压增益。,第二级共射放大电路的输入电阻：,因为：,所以：,（2）输入电阻,（3）输出电阻,例8.6 在下图所示放大电路中，Rg1=100k，Rg2=500k， Rg=5.1M，Rs=2.4k，Rd=5k，Rb1=20k，Rb2=44k，Rc=3k，Re1=100，Re2=2k，RL=3k，VDD=12V；N沟道耗尽型 MOSFET的VP=-2V，IDSS=6mA；晶体管是硅管，=100。求该组合放大电路的电压增益、输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：（1）静态分析,画出直流通路如右上图所示：,计算共源电路的静态工作点参数,（ID单位:mA）,则,ID= 1.28 mA，VGS = 1.07V,因此,计算共射电路的静态工作点参数,计算gm和rbe,(2) 动态分析, 画出小信号等效电路, 求放大电路的动态性能指标,所以,输入电阻,输出电阻,
