【模电笔记】3.场效应管及其基本放大电路

目录

一、前言

1.事先声明

2.学习感悟

二、正文

1.场效应管简介

2.绝缘栅场效应管

(1)N沟道增强型MOSFET

(2)N沟道耗尽型MOSFET

3.结型场效应管

(1)结构

(2)工作原理

(3)特性曲线

4.场效应管的主要参数

(1)直流参数

(2)交流参数——一个重要的参数——跨导

5.对以上场效应管作总结与对比分析

(1)P沟道与N沟道的区别

(2)比较

(3)工作状态特点

6.双极性晶体管和场效应管的比较

7.场效应管基本放大电路

(1)偏置形式

(2)微变等效电路

(3)静态指标

(4)动态指标

(5)共源基本放大电路

(6)共漏基本放大电路

(7)共栅基本放大电路

(8)场效应管基本放大电路的总结与和双极性晶体管的比较


一、前言

1.事先声明

  • 以下参考哈工大模电教材,以下“教材”均指哈工大的教材
  • 红色表示重要的地方橙色表示次重要的地方棕色表示重要的概念名称

2.学习感悟

  • 1.场效应管的种类多,比前面的双极性晶体管(NPN和PNP)种类要多,但是它们是相通的,特性有时往往差了“负号”。要多去理解与记忆。

  • 2.依旧需要明白场效应管自身材料特性、工作特点及曲线。有同学会想,明白场效应管原理有啥用?我记住它们的工作状态就行了。我并不这么认为,明白并记住原理,就能够辅助记忆管子的各种特性,尤其是在这么多种类型的情况下。
  • 3.建议自己推一遍基本放大电路的两种分析(静态分析和动态分析)、三种指标(电压放大倍数、输入电阻、输出电阻)。考察电路分析能力,考试肯定会考的。
  • 4.在画微变等效电路的时候一定一定要把交流电压源与输入电阻画上!虽然有时候结论是正确的,但是在一些情形中就错了!我当是没注意细节,在文中纠错了。一定要养成好习惯。

二、正文

1.场效应管简介

(1)场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,属于电压控制型器件;场效应管几乎依靠半导体中的一种载流子导电,故又称为单极性晶体管

(2)场效应管按结构分为结型场效应管JFET、绝缘栅型场效应管IGFET;按参与导电的载流子,可分为P沟道场效应管N沟道场效应管

(3)它有个与三极管显著不同的特点是:栅极为绝缘层,通过其电流为0,输入电阻特别大

(4)看图可发现,场效应管是对称的。源极和漏极一般可以调换来用。

2.绝缘栅场效应管

增强型耗尽型两种,而每种又分N沟道和P沟道。

以下是我推荐的视频。

很直观的解释视频,可以先看这个

(1)N沟道增强型MOSFET

①结构

教材p112

  •  P型衬底为低掺杂P型半导体,其上有两个高掺杂N+区;
  • 分别有三个电极,栅极g,源极s,漏极d,类似于三极管的基极b,发射极e,集电极c;
  • 栅极和衬底相当于电容的两个极板,若加电压,会产生电场,对电子的移动有影响;
  • 栅极绝缘,故栅极电流几乎为0,栅源电阻{\color{Red} R_{GS}}很高;

②工作原理

a.栅极电压U_{GS}对漏极电流I_{D}的控制作用

教材p113 接线方式

  • U_{GS}=0V时,管子相当于两个PN结,无导电沟道。即使加漏源电压也不会产生电流。 
  • U_{DS}=0,U_{GS}>0时:可以看出会产生一个电场,这个电场使少子电子向上方移动,使多子空穴向下方移动(被排斥),会出现一部分的自由电子与空穴复合的现象,然后原先位置就会形成一薄层负离子耗尽层(还记得耗尽层吗?就是前面PN结讲的空间电荷区,只有离子而无空穴与自由电子)。而那些未被复合的自由电子跑到了栅极下方。
  • 当栅源电压不断增大时,自由电子会不断增多,到一定程度时(此时这个电压称为开启电压U_{GS(th)),耗尽层上方有足够的空间通过自由电子了,将漏极和源极沟通,产生能够导电通道,称为沟道。
  • 此时加漏源电压即可产生漏极电流。
  • 把这种称为增强型MOS管

b.栅源电压U_{DS}对漏极电流I_{D}的影响(要求栅源电压大于开启电压


  • 先说明:在未加U_{DS}前,U_{GS}=U_{GD}
  • U_{DS}后,U_{GD}=U_{GS}-U_{DS}<U_{GS}。漏极电位高于P型衬底的电位,那么可以看做是PN结反偏了,而PN结反偏会怎么样?会使耗尽层变宽!
  • 而耗尽层变宽会阻碍自由电子的移动。此时,N沟道呈电阻特性,当u_{GS}不变时,{\color{Red} I_{D}}{\color{Red}U_{DS} }增加而增加,等效为一个恒定电阻;若此时u_{GS}改变,那么这个等效电阻会改变。此时这个状态称为可变电阻区

  • U_{DS}增加到某一个电压时,耗尽层太宽了,几乎要把自由电子的通道挤没了(但是自由电子还是能克服这个阻力移动),这个状态称为预夹断,这个电压U_{GD}=U_{GS(th)} (因为前面的栅源电压刚到达开启电压时会产生沟道,而加了栅漏电压后,到达开启电压则会刚好关断)。 
  • 这个状态的特点是:并不是不存在电流了,而是U_{DS}增加的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力,即用于克服不断增加的沟道电阻。此时I_{D}不再随U_{DS}增加而增加,为恒流区I_{D}几乎仅由U_{GS}决定
  • 这个区域是我们用的最多的区域——恒流区,若要在这个区域工作,那么要求U_{GD}小于开启电压


③特性曲线

根据以上分析,作出输出特性曲线转移特性曲线

转移特性曲线是指:当漏源电压一定并处于恒流区时,栅源电压对漏极电流的影响

教材p115 输出特性曲线

教材p115 转移特性曲线

 转移特性曲线可用如下表达式描述:

i_{D}=I_{DO}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1)^{2}
必背,考试要用

 其中I_{DO}u_{GS}=2U_{GS(th)}时对应的i_{D}

(2)N沟道耗尽型MOSFET

①结构

教材p116

与增强型MOSFET最大区别就是栅极下方的二氧化硅绝缘层中加入适量的金属正离子,即使没有栅源电压,也会在栅极和衬底间形成电场,产生导电沟道。只要给漏源电压就会产生漏极电流。

即:使用材料本身产生的金属正离子,因此称耗尽型

②工作原理

与增强型基本一致,甚至更简单了。

③特性曲线

教材p116

 其转移特性曲线可用以下表达式描述:

i_{D}=I_{DSS}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}-1)^{2}

 U_{GS(off)}是当漏极电流为0时的夹断电压,I_{DSS}是栅源电压为0时的电流

3.结型场效应管

这个原理理解起来比绝缘栅型场效应管要简单

(1)结构

教材p117
  • N沟道结型场效应管为例。一块N型半导体在两侧掺杂高浓度的P区。
  • 仍然是对称结构,源极和漏极可以调换使用。
  • 栅极电阻仍特别大,栅极电流近似为0。

(2)工作原理

N沟道结型场效应管工作时,要让栅极和源极直接的PN结反偏,要加反偏电压u_{GS}与漏源电压u_{DS}

教材p118

①栅源电压u_{GS}对漏极电流i_{D}的作用

  • 漏源不加电压,而加栅源电压(u_{GS}<0)时,由于PN结反偏,则耗尽层会变宽,向中间靠拢,则中间的N沟道变窄,栅源电压绝对值越大,则N沟道越窄。表现为电阻特性,即:栅源电压绝对值越大,则沟道电阻越大。当栅源电压绝对值大到一定程度,使得沟道被夹断时,这个电压称为夹断电压U_{GS(off)}

②漏源电压u_{DS}对漏极电流i_{D}的影响

  • 当栅源电压处于反偏与夹断中间时:u_{DS}从0开始增加。首先可以很容易地看出会产生漏极电流,自由电子能够在沟道处移动;此外,栅漏电压u_{GD}=u_{GS}-u_{DS}的绝对值随之减小。记住,u_{GS}是个负数,u_{DS}是个正数,u_{DS}增大,那么u_{GD}更“负”了,那么,PN结反偏更严重,则耗尽层更宽,显现为楔形的样子(即下图所示)。现在处于可变电阻区漏极电流随漏源电压增大而增大
  • u_{GD}=U_{GS(off)},中间的N沟道出现夹断点,此时称为预夹断。此时漏源电压再增大,增大的电压基本用于抵消不断增大的沟道电阻,此时,漏极电流基本不变,工作状态处于恒流区。

(3)特性曲线

根据以上分析作出N沟道结型场效应管的输出特性曲线与转移特性曲线。

教材p119

转移特性曲线与N沟道耗尽型场效应管一致,为

i_{D}=I_{DSS}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}-1)^{2}

但是I_{DSS}不同

4.场效应管的主要参数

(1)直流参数

开启电压U_{GS(th)}、夹断电压U_{GS(off)}、饱和漏极电流I_{DSS}、直流输入电阻R_GS

(2)交流参数——一个重要的参数——低频跨导

跨导是转移特性曲线某点斜率的倒数(必记,因为微变等效电路要用到)。

增强型场效应管:g_{m}=\frac{2I_{DO}}{U_{GS(th)}}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1)=\frac{2 \sqrt{I_{DO} \cdot I_{D}}}{U_{GS(th)}}

结型场效应管和耗尽型场效应管:g_{m}=-\frac{2I_{DSS}}{U_{GS(off)}}(1-\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}})=\frac{-2 \sqrt{I_{DSS} \cdot I_{D}}}{U_{GS(off)}}

5.对以上场效应管作总结与对比分析

(1)P沟道与N沟道的区别

我以增强型场效应管为例

 总的来说:

  • 相同点:接线方法一致;微变等效电路一致。
  • 不同点:使用的载流子不同;u_{GS},u_{GD},i_{D}都加个负号;微变等效电路的参数跨导不同。

(2)比较

教材p119-p120 这张总结的图,我表示很赞!

(3)工作状态特点

6.双极性晶体管和场效应管的比较

教材p122

7.场效应管基本放大电路

(1)偏置形式

  • 场效应管有两种偏置形式:分压偏置自给偏压,简单地说就是直流电源是否给栅极一个正电位。
  • 除了增强型不能采用自给偏压(因为增强型需要栅源电压大于开启电压,必须要直流电源给正电位),其余都能使用自给偏压;所有管子都能用分压偏置。
  • 分压偏置连线比较简单;
  • 由于两种偏置形式的分析基本一致,下面我只完整分析共源基本放大电路的例子,其余均以分压偏置来分析。
  • 教材P124 分压偏置
教材P125 自给偏压

(2)微变等效电路

教材 p125
  •  适用条件:小信号、低频与中频。
  •  特点:由于栅源电阻很大,故相当于开路;且栅源电压控制漏极电流
  • 由于r_{ds}一般为几十千欧到几百千欧,通常可以忽略

(3)静态指标

栅源电压U_{GSQ}

漏极电流I_{DQ}

漏源电压U_{DSQ}

(4)动态指标

电压放大倍数\dot {A_{u}}

输入电阻R_{i}

输出电阻R_{o}

(5)共源基本放大电路

教材P124 分压偏置
分压偏置 分析

教材P125 自给偏压

微变等效电路纠错:必须要画出交流电压源\dot{U}_{i}与其内阻,R_{s}

(6)共漏基本放大电路

教材P128 R是接地的,但图中没画

分析

微变等效电路纠错:必须要画出交流电压源\dot{U}_{i}与其内阻,R_{s}

(7)共栅基本放大电路

教材P131

分析

微变等效电路纠错:必须要画出交流电压源\dot{U}_{i}与其内阻,R_{s}

(8)场效应管基本放大电路的总结与和双极性晶体管的比较

教材P132

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