第四章 场效应管放大电路 2017年4月7日
第四章 场效应管放大电路 1 2017年4月7日
场效应管 令BT是一种电流控制元件(g 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。 冷场效应管( Field Effect Transistor简称FET)是一种电压控 它单极器件 工作时,只有一种载流子参与导电,因此 冷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 °鐃辐娱龍男黨、露拎艺鹅单距南蛋建僵产热待弱姓 大规模LS和超大规模集成电路VLS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 结型场效应管UFET) 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 令JET利用半导体内的电场 效应进行工作,称为体内 场效应器件。 托尽尽 冷在一块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 型本体材料的两端各引出属 姗极 凋极 金属铅 个电极,分别称为源极s 和漏极d。 N 冷两个PN结中间的N型区域 N型导电沟道尽 称为导电沟道。 P升衬底
§ 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JET工作原理 冷代表符号如右图,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ET工作时,在栅极与源极间 需加负电压(vGs<0),使栅极、沟道 效应管呈现高送10以上的输入电 阻 德含填的多放载嘉单电“4 在漏极与 流ii的大小受vGs控制
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i的控制作用 令当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vG增大到某一定值ⅣV|,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 改变vs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 门1耗厂 正向电压v,则由漏极c 流向源极的电流将受vGsw 尽层N 的控制
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|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ib的控制作用 当vs<0时,PN结 反偏,耗尽层变厚, 沟道变窄,沟道电阻 变大,D减小; vs更负,沟道更窄, b更小;直至沟道被 DD 耗尽层全部覆盖,沟 道被夹断,≈0。 这时所对应的栅源电 压v称为夹断电压vL土
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i的影响 令当vDs=0时,i=0 ☆随着v逐渐增加,一方面沟道电场强度加大,有利于 辑成的R半导体区域中,生上一个启沟道的电 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vpso 令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 vs,又产生了阻碍漏极电流i提高的因素 心在vp较小时:导电沟道靠近漏端区城仍较宽这时阻 碍的因素是次要的,故i随v升高成正比地增大
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i的影响 i迅速增大 令当v继续增加, 使漏栅间的电位 差加大,靠近漏 耗尽县 耗尽层 端电位差最大, N N 耗尽层也最宽 ☆当两耗尽层在A 点相遇时,称为 (a) i趋于饱和 i饱和 预夹断,A点耗 尽层两边的电位 差用夹断电压v 耗 1耗「耗 来描述。 g层层 层 N DS 26
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Ves>v, 漏源间加电压V。则因漏 端耗尽层所受的反偏电压为 GD= VGs-VDS,比源端耗尽 G 层所受的反偏电压s 大,(如:Ves=-2∨,Wbs=3V, V=9V则漏端新尽层受后 当Vs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,使主要当vs增加到使ve=vss 降落在该区,由此产生的强电场=M时,在紧靠漏极处出现预夹 能来区到其边界断点 饱和电流
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 冷沟道在A点预夹断后,随着vD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,i基本上不再随vs增加而 上升,漏极电流趋于饱和。 ip/nA n/mAl预夹断轨迹 UCi 区c=0va 艺eD=tcs-vs=vp 6 预夹断点 预夹郎 04 0.4 配R)iT8 101 (a)
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