场效应管及其基本放大电路

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§4.1场效应晶体管(FET)简介

§4.2 N沟道增强型MOSFET§4.3 MOSFET偏置电路√§4.4 FET的交流参数和小信号模型§4.5 FET基本放大器分析√

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§4.1场效应晶体管(FET)简介场效应晶体管(Field Effect Transistor)是一种利用电场效应来控制电流的三极管，与双极性晶体管(BJT)不同，导电过程中只有一种载流子参与，所以又称为单极型晶体管。一. FET的分类 FET按结构分为两大类： 1.结型场效应晶体管，简称JFET (Junction type Field Effect Transister); 2.绝缘栅型场效应晶体管，简称IGFET ( Insulated Gate Field Effect ransister),也简称为MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。10/23/2008 2

3DJ7

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存在两种类型的JFET,四种类型的MOSFET。 JFET N沟道耗尽型(正极性晶体管)

P沟道耗尽型(负极性晶体管)

N沟道耗尽型、N沟道增强型 (Enhancement) MOSFET (Depletion) P沟道耗尽型、P沟道增强型二 . FET电路符号 D(Drain)——漏极 D D G

G S JFET

G(Gate)——栅极S(Source)——源极10/23/2008

SMOSFET3

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FET与BJT三电极对应关系D G S FET名词： C B EDG S C

B E DG VGS S

增强型

1. FET的D到S之间的电流通道称为沟道 2.以N型材料为沟道的FET称为N沟道FET 3.以P型材料为沟道的FET称为P沟道FET 4. VGS= 0时存在沟道的FET称为耗尽型FET 5. VGS= 0时不存在沟道的FET称为增强型FET10/23/2008

耗尽型

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三. FET主要特点：1). FET是一种电压控制器件，其模型具有VCCS特性; 2). FET输入阻抗高,易实现直接耦合; ID 3). FET工作频率高,开关速度快； D G 4). FET工艺简单，易集成( LSI&VLSI ); IG IS S 5). FET噪声低，可用于高灵敏放大器。 JFET输入电阻约为106~109 。而

MOSFET输入电阻可高达1015 。☆最早发明的晶体管是JFET;☆最有发展潜力的晶体管是MOS管;☆目前大多数IC内部采用的晶体管是MOS管。10/23/2008

IG≈0 ID= IS

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§4.2 N沟道增强型(MOSFET)一. N沟道增强型MOSFET的结构氧化物 (Oxide) SiO2层

金属引线

S

G

D

金属

( Metal ) Al层

N+ P--Si

N+

P型Si衬底 (Semiconductor)

由于SiO2的高绝缘性,栅极与器件其他部分实现了电绝缘。故MOS管又称为绝缘栅晶体管。10/23/2008 6

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二. N沟道增强型MOSFET工作原理在MOSFET的栅极与源极之间加一直流电压VGS。 VGS> 0时,在栅极下面的二氧化硅中将产生一VG SS

G

D

反型层

个指向P型衬底、且垂直衬底表面的电场。电场排斥空穴，吸引电子到半导体表面。

N+

E

N+

P--Si

VGS越大吸引到半导体表面的电子就越多，当VGS>VT时，吸引到栅极附近P型硅表面的电子积累形成N型反型薄层。它是由VGS感应产生的，也称为感生沟道。10/23/2008 7

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继续增大VGS可使形

VG

成的反型层增宽(N型导电沟道),将源区和漏区连接起来。VGS越大,反型层越宽, D

S间的导电能力越强。

S

S

G

D

反型层

N+

E

N+

P--Si

将开始形成反型层所需的VGS值称为开启电压VT。 VT= 0.5 5V开启电压VT是增强型MOSFET的重要参数，其大小主要取决于SiO2层的厚度。10/23/2008 8

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此时在漏源之间加上电压VDS便会产生漏极电流 ID,

ID的大小受VGS控制。 DS间的导电能力依靠栅极正偏电压来增强，故称增强型FET。由于沟道存在电位梯度,栅极靠近源极的电位为VGS,VDS S VGS N+ N+ G ID D

P--Si

而栅极靠近漏极的电位则为VGD=VGS-VDS,靠近漏极

的电场较弱，使沟道形状成楔形。当VDS=VGS-VT时，导电沟道被夹断，称为预夹断。10/23/2008 9

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三. N沟道增强型MOSFET特性曲线 a).转移特性曲线ID+ IG=0 VDS+ VGS - IS VDD ID

VDS=10V

RG VGG

VGS(V)0

VT

平方律公式:I D K (VGS VT ) 2

K是FET材料结构决定的常数

FET正常工作时VGS> VT,VDS> VGS–VT。10/23/2008 10

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b).输出特性曲线ID(mA)

设VT=3VID+ IG=0 VDS+ VGS - IS RD VDD 0

VGS=8V7V

6V5V

RG VGG

4V VGS=VT5 10 15 VDS=VGS -VT 20

VDS(V)

VGS>VT ID> 0

输出特性曲线分三区，放大区: VDS=(VGS-VT)~ VDD; VGS-VT<VDS< VDD。10/23/2008 11

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§4.3 MOSFET偏置电路常用的MOSFET偏置电路是混合偏压电路，该电路利用电阻分压和源极电阻压降调节偏置电压大小。+VDD R1 C2+ ID RD+VDD

R1 RG+ vi

RD D GS RS

C1 R2

RL v o CS

R2

+ RG VDS+ VGS - RS

典型共源放大电路

混合偏压电路

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求静态工作点 VGS、ID、VDS

R2 VG VDD R1 R2

R1 VG R2

ID RD RG

+VDD+ VDS

VS I D RSVGS R2 VDD VG VS I D RS R1 R2

+ VS RS -

I D K (VGS VT ) 2

(平方律公式)

VGS=?、ID=?

VDS=VDD– ID(RD+RS)

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例1, CS电路如图，图中场效应管为N沟道MOSFET。已知场效应管的VT= 2V,K=0.5mA/V2,估算FET的静态工作点VGS、ID、VDS (Q点)。

解：①画直流通路+VDD+10V

+VDD ID R1 40k RD+10V 2k+ VG VDS

R1 40k C1+vi

RD 2k

C2

R2