模拟电路场效应管及其基本放大电路

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1、信息技术学院模拟电子技术基础 第五章 场效应管及其放大电路信息技术学院第五章 场效应管及其放大电路5.1 5.1 场效应管场效应管5.2 5.2 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路信息技术学院5.1 场效应管一、结型场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、场效应管的分类三、场效应管的分类信息技术学院 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数，工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。 FET只有一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控只有一种载流子参与

2、导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。FETFET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道信息技术学院场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极

3、（）、漏极（d），对），对应于晶体管的应于晶体管的e、b、c；场效应管场效应管有有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作噪声小、抗辐射能力强、低电压工作信息技术学院 在漏极和源极之间加上一个在漏极和源极之间加上一个正向电压，正向电压，N 型半导体中多型半导体中多数载流子电子可以导电。数载流子电子可以导电。 导电沟道是导电沟道是 N 型的，称型的，称N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。DSGNN型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源

4、极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )(Source)(Grid)(Drain)一、结型场效应管（以N沟道为例）1. 结构符号符号信息技术学院P 沟道场效应管沟道场效应管N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅型硅棒的两侧做成高掺杂的棒的两侧做成高掺杂的 N 型型区区(N+)，导电沟道为，导电沟道为 P 型，型，多数载流子为空穴。多数载流子为空穴。符号符号gds信息技术学院2. 工作原理 （1 1）栅）栅- -源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用 u uDSDS=0=0沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟沟道变窄沟道电

5、阻增大道电阻增大沟道消失称沟道消失称夹断，沟道夹断，沟道电阻无穷大电阻无穷大 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？必须加负电压？UGS（off） (a)uGS = 0 (b)UGS(off) uGS UGS（off）若若uDS=0V，有导电沟道，但是多子不产生定向移动，漏极电流，有导电沟道，但是多子不产生定向移动，漏极电流iD为零。为零。若若uDS0V，则有电流，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层比靠不再相等，而是沿沟道

6、从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层比靠近源极一边的宽。近源极一边的宽。DSGSGDuuuGDDSuu, 靠近漏极一边的导电沟道必靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。只要栅将随之变窄。只要栅-漏间不出漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅本上决定于栅-源电压源电压uGS.信息技术学院夹断区变长，夹断区变长，uDS的增大的增大，几乎全部用来，几乎全部用来克服沟道的电阻，克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流几乎不变，进入恒流区，区，iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS ，表现出表现出iD的恒的恒流特性流特性。场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在

7、恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）预夹断预夹断uGDUGS（off）DSGSGDuuuGDDSuu,信息技术学院GS(offGS(off)GDGSDS)DSGSu=u-uu-U,:即DSGSDu=ui常量确定的，就有确定的漏极电流受到栅漏极电流受到栅-源电压控制，故称场效应管为电压控制元件。源电压控制，故称场效应管为电压控制元件。GSDmuig低频跨导（3）栅）栅-源电压对漏极电流的控制作用源电压对漏极电流的控制作用 uGD 0，由于，由于SiO2的存的存在，栅极电流为零。栅极金属层在，栅极电流为零。栅极金属层聚集正电荷，它们排斥聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠型衬

8、底靠近近SiO2一侧的空穴，使之剩下不一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。能移动的负离子区，形成耗尽层。 uGS增大，耗尽层增宽；衬底的自增大，耗尽层增宽；衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成反型层，反型层将变厚间，形成反型层，反型层将变厚变长，当反型层将变长，当反型层将D-S间相接时，间相接时，形成导电沟道。形成导电沟道。 当栅源之间不加电压时，漏源之间相当当栅源之间不加电压时，漏源之间相当于两个背靠背的于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加结，无论漏源之间加何种极性电压，何种极性电压，总是不导电总是不导电，iD=0 开启电压开启电压UG

9、S(th)：使沟道刚刚形成的栅源：使沟道刚刚形成的栅源电压电压SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启信息技术学院uDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响 (uGS UGS(th)沟道沿源沟道沿源-漏方向逐渐变窄，导电漏方向逐渐变窄，导电沟道呈现一个楔形。沟道呈现一个楔形。uDS增大使漏增大使漏极电流极电流iD线性增大。线性增大。a. uDS UGS(th) iD随随uDS的增大而增的增大而增大，可变电阻区大，可变电阻区信息技术学院b. uDS= uGS UGS(th)， uGD = UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度，靠

10、近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。出现预夹断。uGDUGS（th），预夹断，预夹断刚出现夹断刚出现夹断uDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响 (uGS UGS(th)信息技术学院c. uDS uGS UGS(th)， uGD UGS(th) 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？信息技术学院2. 耗尽型 MOS管加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道 制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正

11、制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在离子电场在P型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反型层反型层”。即使。即使 uGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。uGS = 0，uDS 0，产生较大的漏极电流；，产生较大的漏极电流；uGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。2. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDMIDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。是管子正常工作时漏极电流的上限值。信息技术学院双极型和场效应型三极管的比较