第五章 场效应管放大电路 2010年4月23日
1 第五章 场效应管放大电路 2010年4月23日
场效应管 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 规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 根据结构的不同，场效应管可分为三大类： 1. 结型场效应管(JFET) 2. 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET) 3. 砷化镓金属-半导体场效应管 2
2 场效应管 v 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。 v 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 规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 v 根据结构的不同，场效应管可分为三大类： 1. 结型场效应管(JFET) 2. 金属氧化物半导体场效应管(MOSFET) 3. 砷化镓金属半导体场效应管
§5-1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 (b) 极g,在N型本体材料的两端 Od 源极 册极 极 各引出一个电极，分别称为 氧化层 金属铝、 源极s和漏极d。 两个PN结中间的N型区域称 为导电沟道。 N型导电沟道 耗尽层 P型衬底 (c)
3 §5-1结型场效应管JFET v 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。 v 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。 v 两个PN结中间的N型区域称 为导电沟道
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。 冬N沟道JFET工作时，在栅极与源极间需加负 电压(vGsO),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ip。ip的大小受vGs控 制
4 N型沟道JFET工作原理 v 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。 v N沟道JFET工作时，在栅极与源极间需加负 电压(v GS＜0)，使栅极、沟道间的PN结反 偏，栅极电流i Gª0，场效应管呈现高达10 7W 以上的输入电阻。 v 在漏极与源极间加正电压(v DS＞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i D。i D的大小受v GS控 制
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V,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 Vpo 改变vcs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D将 受vcs的控制。 5
5 v GS 对i D的控制作用 v 当v GS由零向负值增大时，在反偏电压v GS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v GS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 V P。 v 改变v GS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v DS ， 则由漏极流向源极的电流i D将 受v GS的控制
VDs对iD的影响 当vps0时，iD0。 随着vs逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于漏极电流o 增加；但有了vs,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。 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P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vps,又产生了阻碍漏极电流o提高的因素。 在'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p随yp升高成正比地增大。 6
6 v DS 对i D的影响 v 当v DS=0时，i D=0。 v 随着v DS逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于漏极电流i D 增加；但有了v DS ，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v DS 。 v 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v DS ，又产生了阻碍漏极电流i D提高的因素。 v 在v DS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i D随v DS升高成正比地增大
VDs对iD的影响 p=0 和迅速增大 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。 耗尽层 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 (a） ( 位差用夹断电压'来 i心趋于饱和 也饱和 描述。 (c】 (d)
7 v DS 对i D的影响 v 当v DS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。 v 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V P来 描述。 GD GS DS V P v = v - v =
N沟道JFET的输出特性 必 沟道在A点预夹断后，随着'Ds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ys改变 而变化。所以，ip基本上不再随vps增加而上升，漏极电流趋 于饱和。 ip/mA ip/mA 预夹断轨迹 UGD-UGs sV 0.8 区 c8= 0.6 预夹断点 珂夹断 B 一0.8l 8101216 20s/V 8 (a) (b>
8 N沟道JFET的输出特性 v 沟道在A点预夹断后，随着v DS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。 v 在从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随v DS改变 而变化。所以， i D基本上不再随v DS增加而上升，漏极电流趋 于饱和
JFET特点 综上分析，可得下述结论： 1.JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，电阻很高。 2.JFET是电压控制电流器件，ip受vGs控制。 3.预夹断前，ip与yps呈近似线性关系，预夹断后，ip趋于饱和。 9
9 JFET特点 v 综上分析，可得下述结论： 1. JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，电阻很高。 2. JFET是电压控制电流器件， i D受 v GS 控制。 3. 预夹断前， i D与v DS呈近似线性关系，预夹断后， i D趋于饱和
JFET的特性曲线 1.输出特性 JFET的输出特性是指在栅源电压vGs一定的情况下，漏极电流p 与漏源电压vps之间的关系，即 in=f(yns）es=常数 ip/mA 预夹断轨迹 UDs=Vp 0.8 I区 UGs=0 V JFET的工作情况可分为 三个区域。 0.6 A 筱夹断点 0.4 TB -0.8 81012 16 20s/V 10
10 JFET的特性曲线 1．输出特性 v JFET的输出特性是指在栅源电压v GS一定的情况下，漏极电流i D 与漏源电压v DS之间的关系，即 D = ( DS ) vGS = 常数 i f v JFET的工作情况可分为 三个区域