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1、第第3章章 场效应管及场效应管及其基本其基本本讲稿第一页，共九十一页31结型场效应管结型场效应管 311结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图31给出了JFET的结构示意图及其表示符号。本讲稿第二页，共九十一页 图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号 (a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET 本讲稿第三页，共九十一页 N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P+型区，形成两个PN结，将两个P+区接在一起引出一个电极
2、，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。本讲稿第四页，共九十一页 如图32所示，如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG0
3、，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。本讲稿第五页，共九十一页 当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的UGS下，ID变小；反之，|UGS|变小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。本讲稿第六页，共九十一页图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大
4、；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0本讲稿第七页，共九十一页图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0本讲稿第八页，共九十一页图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0本讲稿第九页，共九十一页栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断
5、称为夹断UGS（off）本讲稿第十页，共九十一页 312结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线一、转移特性曲线 转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即(31)理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即(32)本讲稿第十一页，共九十一页 式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。转移特性曲线如图33(a)所示。为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。
6、本讲稿第十二页，共九十一页图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 本讲稿第十三页，共九十一页图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 本讲稿第十四页，共九十一页 二、输出特性曲线二、输出特性曲线 输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS|UGSoff|(33)时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后，uDS再增大，
7、电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。本讲稿第十六页，共九十一页 2.可变电阻区可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。4.击穿区击穿区 随 着 uDS增 大，靠 近 漏 区 的 PN结 反 偏 电 压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。本讲稿第十九页，共九十一页32 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构 如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示
8、意图。本讲稿第二十页，共九十一页图 35绝 缘 栅(金 属-氧 化 物-半 导 体)场 效 应 管 结 构 示 意 图 (a)立体图；(b)剖面图 本讲稿第二十一页，共九十一页图 35绝 缘 栅(金 属-氧 化 物-半 导 体)场 效 应 管 结 构 示 意 图 (a)立体图；(b)剖面图 本讲稿第二十二页，共九十一页 322N沟道增强型沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理 如图36所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。
9、本讲稿第二十三页，共九十一页图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号本讲稿第二十四页，共九十一页图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号本讲稿第二十五页，共九十一页 二、转移特性二、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD 0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。(34)本讲稿第二十六页，共九十一页 图 3-7 N 沟道增强型MOSFET的转移特性本讲稿第二十七页，共九十一页 式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度
10、(见图35(a)；W/LMOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。本讲稿第二十八页，共九十一页 三、输出特性三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。本讲稿第二十九页，共九十一页 图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压 本讲稿第三十页，共九十一页 图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压 本讲稿第三十一页，共九十一页 (2)恒流区：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能
11、力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为(35)本讲稿第三十二页，共九十一页 因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图39所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。本讲稿第三十三页，共九十一页 图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况本讲稿第三十四页，共九十一页 沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数 来表达u
12、DS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，越小。(36)本讲稿第三十五页，共九十一页考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为但由于0，就有漏极电流。如果uGS 0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS uGSth时，导电沟道才形成，iD0。3.输入电阻输入电阻RGS 对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS。本讲稿第五十页，共九十一页 二、极限参数二、极限参数 场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(
13、2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS本讲稿第五十一页，共九十一页三、交流参数三、交流参数1跨导跨导gm跨导gm的定义为(313)gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为本讲稿第五十二页，共九十一页(314)那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。而对增强型MOSFET，其电流方程为本讲稿第五十三页，共九十一页那么，对应工作点Q的gm为(315)式(315)表明，增大场效应管的宽长比和工作
14、电流，可以提高gm。2.输出电阻输出电阻r ds 输出电阻rds定义为(316)(317)恒流区的rds可以用下式计算：本讲稿第五十四页，共九十一页 332 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 因为所以(318)(319)以正弦复数值表示，上式可改写为通常rds较大，对Id的影响可以忽略，则本讲稿第五十五页，共九十一页 画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单。本讲稿第五十六页，共九十一页 图313 场效应管低频小信号简化模型本讲稿第
15、五十七页，共九十一页34 场效应管放大器场效应管放大器 341场效应管偏置电路场效应管偏置电路 与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。本讲稿第五十八页，共九十一页 图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 本讲稿第五十九页，共九十一页 一、图解法一、图解法 画出N沟道场效应管的转移特性
16、如图315所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为(322)在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。本讲稿第六十页，共九十一页 图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 本讲稿第六十一页，共九十一页对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为(323)画出该负载线如图315(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特别注意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线所示。本
17、讲稿第六十二页，共九十一页 二、解析法二、解析法 已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：(324a)(324b)将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。本讲稿第六十三页，共九十一页 342场效应管放大器分析场效应管放大器分析 与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。一、共源放大器一、共源放大器 共源放大器电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316(b)所示。由图(b)可知，放大器输出交流电压 为(325)本讲稿第六十四页，共九十一页图316共源放
18、大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路本讲稿第六十五页，共九十一页图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路本讲稿第六十六页，共九十一页 式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为 (326)若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：输入电阻：(327)(328)本讲稿第六十七页，共九十一页 图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。本讲稿第六十八页，共九十一页图317基于Work
19、bench平台的FET放大电路的 计算机仿真本讲稿第六十九页，共九十一页 由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为本讲稿第七十页，共九十一页 例例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。本讲稿第七十一页，共九十一页 图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路本讲稿第七十二页，共九十一页 图318带电流负反馈的放大电路(a)电路
20、；(b)等效电路；(c)简化等效电路本讲稿第七十三页，共九十一页解解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：式中：故(329)(330)(331)将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为(332)本讲稿第七十四页，共九十一页 二、共漏放大器二、共漏放大器 共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电路的主要参数如下。1.放大倍数放大倍数Au 式中：故 本讲稿第七十五页，共九十一页图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路本讲稿第七十六页，共九十一页图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路本讲稿第七
21、十七页，共九十一页所以(333)本讲稿第七十八页，共九十一页 2.输出电阻输出电阻Ro 计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将RL开路，短路，在输出端加信号 ，求出 ，则 本讲稿第七十九页，共九十一页图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 本讲稿第八十页，共九十一页图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 本讲稿第八十一页，共九十一页由图可见 式中：所以，输出电阻为 本讲稿第八十二页，共九十一页故 输入电阻(334)共栅电路与共基电路相似，留给读者自行分析。本讲稿第八十三页，共九十一页 343若干问题的讨论若干问题的讨论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多一、晶体管的跨导比
22、场效应管的跨导大得多 我们知道，晶体管的电流iC与发射结电压uBE成指数关系，而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。显然，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。本讲稿第八十四页，共九十一页晶体管：场效应管：结型场效应管：本讲稿第八十五页，共九十一页 二、关于温度稳定性二、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工作，温度稳定性会更好。本讲稿第八十六页，共九十一页图321 场效应管的零温度系数点 本讲稿第八十七页，共九十一页 三、关于体效应和背栅跨导三、关于体效
23、应和背栅跨导 前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子。为保证正常工作，一般衬底要接到全电路的最低电位点，因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必须为负。本讲稿第八十八页，共九十一页 在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：(340)通常用跨导比来表示gmb的大小：(341)本讲稿第八十九页，共九十一页式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。图322 计入背栅跨导的FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。本讲稿第九十页，共九十一页本讲稿第九十一页，共九十一页