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1、5.3 结型场效应管结型场效应管5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管5.2 场效应管放大电路场效应管放大电路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*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管类比：与类比：与BJT放大电路放大电路自学（归纳、比较）自学（归纳、比较）JFET管管，简单介绍，简单介绍掌握场效应管的工作原理掌握场效应管的工作原理注意与注意与BJT的异同点的异同点5 场效应管放大电路场效应管放大电路作业作业复习思考题：5.1.1、5.1.2.、习题：、5 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管是利用场效应管是利用输入回路的电
2、场效应来控制输出输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件回路电流的一种半导体器件，它仅靠半导体中的，它仅靠半导体中的多数多数载流子导电载流子导电，又称，又称单极型晶体管单极型晶体管。按参与导电的载流。按参与导电的载流子来划分，它有子来划分，它有电子电子作为载流子的作为载流子的N N沟道沟道器件和器件和空穴空穴作为载流子的作为载流子的P P沟道沟道器件。器件。场效应管：场效应管：结型结型N N沟道沟道P P沟道沟道 MOS MOS型型N N沟道沟道P P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管MOSFETMOSFET
3、 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管MOSFETMOSFET(Metal-Oxide(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)Semiconductor Field Effect Transistor)是一种利用半导是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻可达极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻可达10101010，又称又称绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Insulate
4、d-Gate FET)(Insulated-Gate FET)。按。按导电机理不同分为：导电机理不同分为：增强型增强型：vGSGS=0=0时，漏源之间没有导电沟道，时，漏源之间没有导电沟道，在在vDSDS作用下无作用下无iD D。耗尽型耗尽型：vGSGS=0=0时，漏源之间有导电沟道，时，漏源之间有导电沟道，在在vDSDS作用下作用下iD D。1.1.结构和符号（以结构和符号（以N N沟道增强型为例）沟道增强型为例）N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET结构左结构左右对称，是右对称，是在一块参杂浓在一块参杂浓度较低的度较低的P P型硅上型硅上生成一层生成一层很薄的很薄的SiOSiO
5、2 2 绝缘层，然后绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺用光刻工艺扩散两个高掺杂的杂的N N型区，从型区，从N N型区引出型区引出电极电极作为作为D D和和S,S,在在绝缘层上绝缘层上镀一层金属铝并镀一层金属铝并引出一个引出一个电极作为电极作为G GD(Drain):D(Drain):漏极，相当漏极，相当c c G(Gate):G(Gate):栅极，相当栅极，相当b b S(Source):S(Source):源极，相当源极，相当e eB(Substrate):B(Substrate):衬底衬底2.2.工作原理（以工作原理（以N N沟道增强型为例）沟道增强型为例）(a)(a)vGSGS=0=0时
6、，时，漏源之间形成漏源之间形成两个背靠背的两个背靠背的PNPN结，在结，在D D、S S之间加上电压，之间加上电压，不管不管vDSDS极性极性如何，其中总有一个如何，其中总有一个PNPN结反结反偏，所以不存在导电沟道。偏，所以不存在导电沟道。vGSGS=0=0，iD D=0=0 vGSGS必须大于必须大于VT，管子才能，管子才能工作。工作。（1 1）栅源电压）栅源电压vGSGS的控制作用的控制作用（1 1）栅源电压）栅源电压V VGSGS的控制作用的控制作用（b b）当栅源之间加有电压时，）当栅源之间加有电压时，若若0 0vGS GS V VT T （或（或V VGS(th)GS(th)称为称
7、为开启电压开启电压)时，时，在在SioSio2 2介质中介质中产生一个垂直于半导体表面的产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥电场，排斥P P区多子空穴而吸区多子空穴而吸引少子电子。引少子电子。但由于电场强但由于电场强度有限，度有限，吸引到绝缘层的少子吸引到绝缘层的少子电子电子数量有限，不足以形成沟数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流不可能以形成漏极电流iD D。0 0vGSGSV VT T，iD D=0=0（1 1）栅源电压）栅源电压v vGSGS的控制作用的控制作用(c)(c)进一步增加进一步增加vGSGS，当当vGSGSV VT T
8、时，时，由于此时的栅源电压已经比较强，由于此时的栅源电压已经比较强，栅极下方的栅极下方的P P型半导体表层中聚集型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时形成沟道。如果此时vDSDS00，就可，就可以形成漏极电流以形成漏极电流iD D。在栅极下方导。在栅极下方导电沟道中的电子，因与电沟道中的电子，因与P P型区的载型区的载流子空穴极性相反，故称为流子空穴极性相反，故称为反型反型层层。随着。随着vGSGS的继续增加，的继续增加，反型层反型层变厚，变厚，iD D增加增加vGSGS VT g g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道vGSG
9、S 反型层变厚反型层变厚 vDS DS iD D （2 2）漏源电压）漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用（a a）如果）如果vGSVT且固定为某一值，且固定为某一值，vDS=vDGvGS=vGDvGSvGD=vGSvDSvDS为为0或较小时，或较小时，vGD=vGSvDS VT，即即 vDS vGS VT沟道分布如图，沟道分布如图，此时此时vDS 基本均匀降落在沟道基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，中，沟道呈斜线分布。这时，iD随随vDS增大。增大。vDS iD （2 2）漏源电压）漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用（2 2）漏源电压）
10、漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用（b b）当）当vDS增加到使增加到使vGD=VT时，即时，即 vDS vGS VT时，时，沟道如图所示，沟道如图所示，靠近漏极的靠近漏极的沟道被夹断，沟道被夹断，这相当于这相当于vDS增增加使漏极处沟道缩减到刚刚加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为开启的情况，称为预夹断预夹断。（2 2）漏源电压）漏源电压vDSDS对漏极电流对漏极电流iD D的控制作用的控制作用vDS iD 不变不变（c c）当）当vDSDS增加到增加到vGD VT时，即时，即 vDS vGS VT沟道如图所示。此时预夹断区域沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向加
11、长，向S S极延伸。极延伸。vDSDS增加的部增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟分基本降落在随之加长的夹断沟道上，道上，iD D基本趋于不变基本趋于不变 iD=f(vGS)vDS=const转移特性曲线转移特性曲线 iD vGS/ViD=f(vDS)vGS=const输出特性曲线输出特性曲线 vDS/V iD3.3.特性曲线（以特性曲线（以N N沟道增强型为例）沟道增强型为例）转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率g gm m的大小反的大小反映了栅源电压映了栅源电压vGSGS对漏极电流对漏极电流iD D的的控制作用。控制作用。g gm m 的量纲为的量纲为mA/VmA/V，称为称为跨导跨导。g
12、 gm m=iD D/vGSGS vDSDS=const =const 值时的是在饱和区，DTGSDTGSDDivIVvIiV2)1-(020=(1)(1)截止区（夹断区）截止区（夹断区）vGSGS V|V|VP P|时的漏时的漏 极电流。（耗尽）极电流。（耗尽）场效应管的主要参数场效应管的主要参数(4)低频跨导低频跨导 g gm m ：表示：表示vGSGS对对iD D的控制作用。的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，g gm m 是曲线在某点上的斜率，也可由是曲线在某点上的斜率，也可由iD D的表达式求导得出，单位为的表达式求导得出，单位为 S S 或或 mS mS。(5)最大漏极
13、电流最大漏极电流 I IDMDM(7)(7)漏源击穿电压漏源击穿电压 V V(BR)DS (BR)DS 栅源击穿电压栅源击穿电压 V V(BR)GS(BR)GS (6)(6)最大漏极耗散功率最大漏极耗散功率 P PDMDM 场效应管的型号场效应管的型号 场效应管的型号场效应管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母型三极管相同，第三位字母J J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O O代表金代表金属属-氧化物氧化物-半导体场效应管。第二位字母代表材料，半导体场效应管。第二位字母代表材料，D D是是P P型硅，反型层是型硅，反型层是N N沟
14、道；沟道；C C是是N N型硅型硅P P沟道。例如沟道。例如,3DJ6D,3DJ6D是结是结型型N N沟道场效应管，沟道场效应管，3DO6C3DO6C是金属是金属-氧化物氧化物-半导体型半导体型N N沟道场沟道场效应管。效应管。第二种命名方法第二种命名方法是是CS#CS#，CSCS代表场代表场效应管，效应管，以数字以数字代表型号的序号，代表型号的序号，#用用字母代表同一型号中字母代表同一型号中的不同规格。例如的不同规格。例如CS14ACS14A、CS45GCS45G等。等。5.3 5.3 结型场效应管结型场效应管(Junction type Field Effect Transister)(J
15、unction type Field Effect Transister)1.N1.N沟道结型场效应管的结构和符号沟道结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。来控制漏极电流的大小的器件。它是在它是在N N型半导体硅片型半导体硅片的两侧各制造一个的两侧各制造一个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。型沟道的结构。P P区即区即为为栅极栅极g(G)g(G)，N N型硅的型硅的一端是一端是漏极漏极d(D)d(D)，另一，另一端是端是源极源极s(S
16、)s(S)。箭头方向表示栅结正偏箭头方向表示栅结正偏时栅极电流方向时栅极电流方向(P指向指向N)。2.2.工作原理工作原理iD（1 1）vGSGS对导电沟道的影响：对导电沟道的影响：栅源之间是反偏的栅源之间是反偏的PNPN结，结，R RGSGS10107 7，所以所以iG G=0=0(a)(a)vGSGS=0=0，vDSDS=0=0，iD D=0=0 结型场效应管没有绝缘层，栅结型场效应管没有绝缘层，栅结只能工作在反偏的条件下，否则结只能工作在反偏的条件下，否则将会出现栅流。将会出现栅流。N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管只能工作在负栅压区（只能工作在负栅压区（vGS0 ），），P P沟道
17、的只能工作在正栅压区沟道的只能工作在正栅压区（vGS0）。N N沟道结型场效应管工作原理沟道结型场效应管工作原理：工作原理工作原理(c)vGS=VP，导电沟导电沟道被全夹断道被全夹断(b)VPvGS 0 0，但，但vDS DS -V-VP P 时的漏极电流时的漏极电流 当当vDS vGS-VP 后，管子工作在饱和区，后，管子工作在饱和区，vDSDS对对iD D的影响很的影响很小。实验证明，当小。实验证明，当vDS vGS -VP 时，时，iD D可近似表示为：可近似表示为：综上分析可知综上分析可知 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
18、为所以场效应管也称为单极型单极型三极管三极管。JFET是是电压控制电流电压控制电流器件，器件，iD受受vGS控制控制预夹断前预夹断前iD与与vDS呈呈近似线性关系；近似线性关系；预夹断后，预夹断后，iD趋于趋于饱和。饱和。#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的结是反向偏置的，因此，因此 iG 0，输入电阻很高。输入电阻很高。4.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理双极型三极管和场效应型管的比较双极型三极管和场效应型管的比较双极型三极管
19、双极型三极管场效应管场效应管结构结构NPNNPN型型PNPPNP型型结型、耗尽型结型、耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N N沟道沟道 P P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道C C与与E E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D D与与S S可倒置使用可倒置使用载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移多子漂移控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS(CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(VCCS(g gm m)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较小，可有零温度系数点较小，可有
20、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5.2 5.2 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路共栅极放大电路共栅极放大电路场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型一般一般r rdsds很大，可忽略，得很大，可忽略，得简化小信号模型简化小信号模型:5.2.2 5.2.2 共源极放大电路共源极放大电路以以NMOSNM
21、OS增强型场效应管为例增强型场效应管为例三极管与场效应管三种组态对照表：三极管与场效应管三种组态对照表：电路组成电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。就是一个解电路的问题了。图中图中R Rg1g1、R Rg2g2是栅极偏置电阻，是栅极偏置电阻，R R是源极电阻，是源极电阻，R Rd d是漏极负是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的载电阻。与共射基本放大电路的R Rb1b1、R Rb2b2，R Re e和和R Rc c分
22、别一一对应。分别一一对应。共源极放大电路共源极放大电路直流通路直流通路 直流分析直流分析(估算法）：估算法）：V VG G=V VDDDDR Rg2g2/(/(R Rg1g1+R+Rg2g2)V VGSGS=V VG GV VS S=V VG GI ID DR R I ID D=I IDSSDSS11(V VGSGS/V/VP P)2 2 V VDSDS=V VDDDDI ID D(R Rd d+R+R)解出解出V VGSGS、I ID D和和V VDSDS。交流分析交流分析小小信信号号等等效效电电路路共漏极放大电路共漏极放大电路 直流分析直流分析V VG G=V VDDDDR Rg2g2/(/(R Rg1g1+R+Rg2g2)V VGSGS=V VG GV VS S=V VG GI ID DR RI ID D=I IDSSDSS11(V VGSGS/V/VP P)2 2V VDSDS=V VDDDDI ID DR R由此可以解出由此可以解出V VGSGS、I ID D和和V VDSDS。与三极管共集电与三极管共集电极电路对应极电路对应直流通路：直流通路：交流分析交流分析输出电阻输出电阻共栅极放大电路共栅极放大电路RoRd