第四章 场效应管放大电路 2019年4月8日 1
第四章 场效应管放大电路 1 2019年4月8日
场效应管 BT是一种电流控制元件I~ic),工作时，.多数载流子和少数 载流宇都参与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管(Field Effect Transistor简称FET)是一种电压控 制器件心cs®)，工作时，只有一种载流子参与导龟，因此 它是单极型器件。 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器 件 特点是耗电省、寿命长输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、 抗射能方强、制造工艺简单。它的应用范围广，特别是在 大规模SI和超大规模集成电路VLS中得到了广泛的应用。 的 根据结构的不同，场效应管可分为两大类： 结型场效应管0FET) 2 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)
场效应管 ❖ BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子和少数 载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 ❖ 场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控 制器件(vGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此 它是单极型器件。 ❖ 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器 件。 ❖ 特点是耗电省、寿命长，输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、 抗辐射能力强、制造工艺简单。它的应用范围广，特别是在 大规模LSI和超大规模集成电路VLSI中得到了广泛的应用。 ❖ 根据结构的不同，场效应管可分为两大类： 1. 结型场效应管(JFET) 2. 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET) 2
§4-1结型场效应管JFET FET利用半导体内的电场 效应进行工作，称为体内 场效应器件。 在一块N型半导体材料两 边扩散高浓度的P型区 形成两个PN结。两边P型 区引出两个欧姆接触电极 (b) 连在一起称为栅极g,在N Od 型本体材料的两端各引出 极 氧化易 金属铅 一个电极，分别称为源极s 和漏极d。 两个PN结中间的N型区域 N型争电沟道 尽层 一一 称为导电沟道。 P+衬底 (r) 3
§ 4 - 1结型场效应管JFET ❖ JFET利用半导体内的电场 效应进行工作，称为体内 场效应器件 。 ❖ 在一块 N型半导体材料两 边扩散高浓度的 P型区， 形成两个PN结。两边 P 型 区引出两个欧姆接触电极 连在一起称为栅极 g，在 N 型本体材料的两端各引出 一个电极，分别称为源极 s 和漏极 d 。 ❖ 两个PN结中间的 N型区域 称为导电沟道。 3
N型沟道JFET工作原理 。代表符号如右图，箭头的方向表示栅 结正尚偏置时，栅极电流的方向是由 P指向N,敌从符号上就可识别d、s 之间是N沟道。 g( N沟道FET工作时，在栅极与源极间 需加负电压(VsO) 使N沟道中的多数载流子（电子）在电 场作用下由源极向漏极运动，形成电 流p。o的大小受vGs控制。 4
N型沟道JFET工作原理 ❖ 代表符号如右图，箭头的方向表示栅 结正向偏置时，栅极电流的方向是由 P指向N，故从符号上就可识别d、s 之间是 N沟道。 ❖ N沟道JFET工作时，在栅极与源极间 需加负电压 ( vGS ＜0)，使栅极、沟道 间的PN结反偏，栅极电流 i G 0，场 效应管呈现高达10 7 以上的输入电 阻。 ❖ 在漏极与源极间加正电压 ( vDS ＞0) ， 使 N沟道中的多数载流子 (电子 )在电 场作用下由源极向漏极运动，形成电 流iD。iD的大小受vGS控制。 4
VGs对iD的控制作用 当vGs由零向负值增大时，在反偏电压vGs作用下，两 个P结的耗尽层将加宽，使导电沟道变窄，沟道电 阻增大。当vGs增大到某一定值Vl,两侧耗尽层将在 中间合拢，沟道全部被夹断，此时漏源极间的电阻将 趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压Vp 必 改变vGs的大小，可以有效 地控制沟道电阻的大小。 若在漏源极间加上固定的 正向电压Ds,则由漏极 流向源极的电流n将受vcs 的控制。 5
vGS对iD的控制作用 ❖ 当vGS由零向负值增大时，在反偏电压vGS作用下，两 个PN结的耗尽层将加宽，使导电沟道变窄，沟道电 阻增大。当vGS增大到某一定值|VF |，两侧耗尽层将在 中间合拢，沟道全部被夹断，此时漏源极间的电阻将 趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压VP。 5 ❖ 改变vGS的大小，可以有效 地控制沟道电阻的大小。 若在漏源极间加上固定的 正向电压vDS，则由漏极 流向源极的电流iD将受vGS 的控制
VGs对iD的控制作用 当vGs<O时，PN结 反偏，耗尽层变厚， 沟道变窄，沟道电阻 变大，D减小； vGs更负，沟道更窄 Vps iD更小；直至沟道被 三bD 耗尽层全部覆盖，沟 道被夹断，D≈0。 《6岸%s 这时所对应的栅源电 压vGs称为夹断电压K 6
vGS 对 i D的控制作用 6 当 vGS ＜ 0时，PN 结 反偏，耗尽层变厚， 沟道变窄，沟道电阻 变大， i D减小； vGS更负，沟道更窄， iD更小；直至沟道被 耗尽层全部覆盖，沟 道被夹断， i D ≈0 。 这时所对应的栅源电 压vGS称为夹断电压VP
VDs对iD的影响 当vDs=0时，io=0。 必 随着vps逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于 漏极重流增加；倶有了yps,就在由源极经沟道到漏 极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的电 位梯度。沟道区的电位差则从靠源端的零电位逐渐升 高到靠近漏端的vps。 华 在从源端到漏端的不同位置上，栅极与沟道之间的电 位差是不相等的，离源极愈远，电位差愈天，加到该 处PN结的反向电压也愈大，耗尽层也愈向中心扩展， 使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄。所以增加 vos,又产生了阻碍漏极电流o提高的因素。 在®s较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，.这时阻 碍的因素是次要的，故io随vos升高成正比地增大。 7
vDS对iD的影响 ❖ 当vDS=0时，iD=0。 ❖ 随着vDS逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于 漏极电流iD增加；但有了vDS ，就在由源极经沟道到漏 极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的电 位梯度。沟道区的电位差则从靠源端的零电位逐渐升 高到靠近漏端的vDS 。 ❖ 在从源端到漏端的不同位置上，栅极与沟道之间的电 位差是不相等的，离源极愈远，电位差愈大，加到该 处PN结的反向电压也愈大，耗尽层也愈向中心扩展， 使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄。所以增加 vDS ，又产生了阻碍漏极电流iD提高的因素。 ❖ 在vDS较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻 碍的因素是次要的，故iD随vDS升高成正比地增大。 7
VDs对iD的影响 p=0 和迅速增大 当vps继续增加， 使漏栅间的电位 差加大，靠近漏 尽层 端电位差最大， 耗尽层也最宽。 当两耗尽层在A 点相遇时，称为 (a) (b) 心趋于饱和 西饱和 预夹断，A点耗 尽层两边的电位 P+ 差用夹断电压Vp 来描述。 26 (c) (d) 8
vDS 对 i D的影响 ❖ 当 vDS继续增加， 使漏栅间的电位 差加大，靠近漏 端电位差最大， 耗尽层也最宽。 ❖ 当两耗尽层在 A 点相遇时，称为 预夹断 ， A点耗 尽层两边的电位 差用夹断电压 VP 来描述。 8 GD GS DS VP v = v − v =
在栅源间加电压Vcs>~ 漏源间加电压6s。则因漏 端耗尽层所受的反偏电压为 VcD=VGs-Vos,比源端耗尽 层所受的反偏电压Vcs 大（如：Vcs=-2V,bs=3V, %c章哈 ,=9V.漏湍耗尽层受后 当6s继续增加时，预夹断点向 源极方向伸长为预夹断区。由于 预夹断区电阻很大，使主要s 当bs增加到使VcD=Vcs-bs 降落在该区，由此产生的强电场 =八时，在紧靠漏极处出现预夹 力能把未夹断区漂彩到其边界上 断点 的藏流斋漏皮或漏溪 饱和电流。 9
9 在栅源间加电压VGS＞VP， 漏源间加电压VDS。则因漏 端耗尽层所受的反偏电压为 VGD=VGS-VDS，比源端耗尽 层所受的反偏电压VGS 大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反 偏电压为-5V，源端耗尽层 受反偏电压为-2V),使靠近 漏端的耗尽层比源端厚，沟 道比源端窄，故VDS对沟道 的影响是不均匀的，使沟道 呈楔形。 当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时，在紧靠漏极处出现预夹 断点 随VDS增大，这种 不均匀性越明显。 当VDS继续增加时，预夹断点向 源极方向伸长为预夹断区。由于 预夹断区电阻很大，使主要VDS 降落在该区，由此产生的强电场 力能把未夹断区漂移到其边界上 的载流子都扫至漏极，形成漏极 饱和电流
N沟道JFET的输出特性 ÷沟道在A点预夹断后，随着VDs上升，夹断长度会略 有增加。但由于夹断处场强也增大，仍能将电子拉过 夹断区形成漏极电流。 ÷在从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随 Ds改变而变化。所以，ip基本上不再随vDs增加而 上升，漏极电流趋于饱和。 ip/mA ip/mA 预夹断轨迹 0.8 s=V I区 VCs=0 V 0.6 A 预夹新点 预夹断 1 0 0.4 一0.8 (BR T/D6 81012 20s/V (a) (b) 10
N沟道JFET的输出特性 ❖ 沟道在A点预夹断后，随着vDS上升，夹断长度会略 有增加。但由于夹断处场强也增大，仍能将电子拉过 夹断区形成漏极电流。 ❖ 在从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随 vDS改变而变化。所以， iD基本上不再随vDS增加而 上升，漏极电流趋于饱和。 10