第3章場效應晶體管及其放大電路

晶體管的主要特點1.電流控制型器件。2.輸入電流大，輸入電阻小。3.兩種極型的載流子都參與導電，又稱為雙極型晶體管，簡稱BJT（BipolarJunctionTransistor)。3.0

概述場效應管，簡稱FET(FieldEffectTransistor)。(a)

輸入電阻高，可達107~1015W。(b)

起導電作用的是多數（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。(d)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(c)

噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)

在大規模集成電路制造中得到了廣泛的應用。場效應管的主要特點1.

結型場效應管，簡稱JFET場效應管按結構可分為場效應管的類型2.

絕緣柵型場效應管，簡稱IGFET3.1

結型場效應管

3.1.1

結型場效應管的類型和結構sgdP+NP+SiO2保護層N溝道JFET結構示意圖DSGN符號N溝道結型場效應管結構圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+耗盡層(PN結)N溝道場效應管是在N型硅棒的兩側做成高摻雜的P型區(P+)。

P溝道結型場效應管結構圖N+N+P型溝道GSDP溝道場效應管是在P型硅棒的兩側做成高摻雜的N型區(N+)，符號GDS3.1.2

結型場效應管的工作原理

電路圖GDSN溝道結型場效應管用改變uGS大小來控制漏極電流ID的。在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。ID

GDSP+P+N型溝道

uGS<0VGG1.uGS

對溝道的控制作用(uDS=0)ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

uGS=0uGS=0時，耗盡層比較窄，導電溝比較寬uGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導電溝相應變窄。當uGS=UGS（Off)，耗盡層合攏，導電溝被夾斷.ID=0GDSP+P+N型溝道(b)uGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

uGS=UGS(off)VGG⑴當uGS=0時，uDSiD（線性）D、G間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。⑵當uDS增加到uDS=-UGS(off)時，在緊靠漏極處出現預夾斷。⑶若再uDS夾斷區延長溝道電阻iD基本不變--IDSS2.uDS對溝道的控制作用(uGS=0)---溝道等效為線性電阻3.uDS

使溝道出現預夾斷后，uGS對溝道的控制作用溝道出現預夾斷時：uDG=-UGS(off)uDS=uGS+uDG=uGS-UGS(off)預夾斷軌跡，uDS＝uGS-UGS（off）iD幾乎僅決定于uGSiD的值幾乎僅決定于uGS綜上分析可知JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制。預夾斷前iD與uDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。

JFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。3.1.3

結型場效應管的伏安特性

在正常工作的情況下，iG=0，管子無輸入特性。++––1．輸出特性

24061020可變電阻區放大區截止區++––24061020可變電阻區(1)

可變電阻區a.uDS較小,b.管子相當于受uGS控制的壓控電阻各區的特點溝道尚未夾斷放大區(2)

放大區a.

溝道預夾斷b.iD幾乎與uDS無關c.

iD只受uGS的控制24061020截止區(3)

截止區a.溝道完全夾斷24061020b.

iD=02．轉移特性表示場效應管的uGS對iD的控制特性定義??????OO恒流區(放大區）轉移特性曲線轉移特性曲線稱為零偏漏極電流3.1.4

結型場效應管的主要電參數

1．直流參數

(1)夾斷電壓

(2)零偏漏極電流

(3)直流輸入電阻2．交流參數

(1)

跨導由得管子在靜態工作點處的跨導可見，gm與IDQ有關。IDQ越大，gm也就越大。

3.

極限參數(1)漏極最大允許耗散功率PDSM

(2)最大漏極電流IDSM

(2)

極間電容柵源電容Cgs柵漏電容Cgd漏源電容Cds

(3)柵源擊穿電壓U（BR）GS(4)漏源擊穿電壓U（BR）DS[例]在圖示電路中，已知場效應管的；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個區？(b)(c)(a)[解](a)因為uGS<UGS(off),管子工作在截止區。GDS實際：管子工作在放大區實際：管子工作在可變電阻區(b)預夾斷軌跡(c)預夾斷軌跡3.2

絕緣柵型場效應管

N溝道IGFET耗盡型增強型P溝道N溝道P溝道絕緣柵型場效應管的類別

3.2.1N溝道增強型MOS管

gsdN+N+SiO2保護層AlbP結構示意圖GSDBPN+sgdN+以P型半導體作襯底形成兩個PN結SiO2保護層引出柵極Al從襯底引出電極SiO2保護層PN+sgdN+Al故又稱為MOS管管子組成a.金屬（Metal)b.氧化物(Oxide)c.半導體(Semiconductor)增強型NMOS管工作原理動畫演示2．伏安特性與參數

a．輸出特性可變電阻區放大區截止區輸出特性曲線24061020截止區(a)uGS＜UGS(th)

(1)

截止區(b)溝道完全夾斷iD=024061020各區的特點(2)

可變電阻區(a)uDS較小，溝道尚未夾斷(b)管子相當于受uGS控制的電阻可變電阻區24061020(3)

放大區(飽和區、恒流區)(a)溝道預夾斷(b)iD幾乎與uDS無關(c)

iD只受uGS的控制放大區24061020管子工作于放大區時函數表達式b．轉移特性曲線

O轉移特性曲線IDO是uGS=2UGS(th)時的iD3.2.2N溝道耗盡型MOS管

1.

MOS管結構示意圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導電溝道）反型層PN溝道GSD絕緣層中滲入了正離子PN+sdN+形成導電溝道g導電溝道增寬a.導電溝道變窄b.耗盡型MOS管的uGS可正可負。PN+sdN++–gc.2．伏安特性與參數

24061020可變電阻區放大區截止區a．輸出特性曲線

b．轉移特性曲線轉移特性曲線O工作于放大區時函數表達式一種典型的阻容耦合共源極放大電路+_+++_+3.3場效應管放大電路場效應管放大電路自給偏壓分壓式偏置3.3.1場效應管放大電路的靜態分析1．自給偏壓USQ=

IDQRSUGSQ=

–IDQRS(1)自給偏壓原理+_+_輸入回路方程轉移特性兩式聯立可求得IDQ由此可得[例]在圖示電路中，VDD=18V，RD=3kΩ，RS=1kΩ、RG=1MΩ，FET的IDSS=7mA、UGS(off)=－8V。試求UGSQ

、IDQ和UDSQ

。+_+_[解]當管子工作于放大區時將有關數據代入上式，得UGSQ=－2.9VIDQ=2.9mA聯立求解，得2．分壓式偏置圖中

直流通路+_+_+__+兩式聯立可求得IDQ，故分壓式偏置:增強型、耗盡型兩種偏置電路適用的FET自給偏壓：耗盡型3.3.2場效應管放大電路的動態分析iD=f(uGS，uDS)對iD全微分

1.場效應管的微變等效電路為跨導式中rds為FET共源極輸出電阻所以FET的微變等效電路簡化的微變等效電路2．共源極放大電路微變等效電路+_+++_+由圖可知····故···a.求電壓放大倍數由圖可知b.求輸入電阻Ri根據輸出電阻的定義由圖可知畫出求輸出電阻的等效電路c.

求輸出電阻Ro3.共漏極放大電路微變等效電路_