第3章电子线路课件

1、 3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管 3.2 3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 3.3 3.3 各种各种FETFET的特性比较及使用注意事项的特性比较及使用注意事项 3.4 3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路 本章小结本章小结3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管 3.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 1.结构 结型场效应管按其导电沟道分为N沟道和P沟道两种。其结构示意图和电路符号如图3.1和图3.2所示。图3.1 N沟道JFET图3.2 P沟道JFET 2.工作原理 （1）uGS对iD的控制作用 uGS对iD的控制作用如图3.3所示。图3.3 uGS =0，

2、栅源电压uGS对导电沟道的影响 在图3.3（a）中，栅源电压等于0，沟道面积最大。 在图3.3（b）中，栅源之间加上反偏电压，沟道面积变窄。 在图3.3（c）中，栅源之间的反偏电压增加，耗尽层合拢，沟道被夹断，面积为零。 综上所述，改变栅源反偏电压的大小，可以有效改变栅源反偏电压的大小，可以有效的控制沟道电阻的大小的控制沟道电阻的大小。 （2）uDS对iD的影响 uDS对iD的影响如图3.4所示。图3.4 uDS对导电沟道的影响 (a) uDS=0时的情况 (b) uDS | UGS(off)|时的情况图3.4 uDS对导电沟道的影响 在图3.4（a）中，漏源电压等于0，漏极电流等于零。 在图

3、3.4（b）中，漏源电压增加，漏极电流增加。 在图3.4（c）中，漏源电压增加，使耗尽层在靠近漏端合拢，漏极电流趋于饱和。 在图3.4（d）中，漏源电压继续增加，耗尽层的合拢点下移，漏极电流不变。 综上所述，漏源电压的主要作用是形成漏极电漏源电压的主要作用是形成漏极电流流。 综上分析，可得下述结论： JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，其作用是控制导电沟道的电阻，从而控制漏极电流的大小。 漏源电压的作用是形成漏极电流。 施加栅源电压和漏源电压的原则是：必须保证管内的PN结处于反向偏置。 3.1.2 JFET3.1.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 1.输出特性 JFET的输

4、出特性如图3.5所示。（a） uGS0 （b）栅源电压uGS改变图3.5 N沟道JFET的输出特性 图3.5（b）的输出特性可划分为4个区域。 （1）可变电阻区 （2）饱和区或恒流区 （3）击穿区 （4）夹断区：当uGSUGS(off)时，iD=0，称为夹断区，或称为截止区。 2.转移特性 N沟道结型场效应管的转移特性如图3.6所示。 图3.6N沟道JFET转移特性 实验表明，在UGS(off)uGS0范围内，即在饱和区内，iD随uGS增加（负数减少）近似按平方上升，因而有 (当 时)0)(GSoffGSuU2)(1offGSGSDDSDUuIi 3.主要参数 （1）夹断电压UGS(off)

5、（2）饱和漏电流IDSS （3）低频互导（跨导）gm| = 常数 （3.2） 互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。GSDmdudig DSu （4）最大漏源电压U(BR)DS （5）最大栅源电压U(BR)GS （6）直流输入电阻RGS （7）输出电阻rd | =常数 （3.3） （8）最大耗散功率PDMGSuDDSdddur 3.1 思考题思考题u N沟道结型场效应管栅源之间能否加正偏电压？为什么？返回3.2 3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 3.2.1 N3.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET 1.结构及符号 N沟道增强型MO

6、SFET的结构和代表符号如图3.7（a）、（b）所示。 P沟道MOSFET的代表符号如图3.7(c)所示。 图3.7MOSFET N沟道纵剖面图N沟道增强型符号P沟道增强型符号 2.工作原理 N沟道增强型MOS管正常工作时，在栅源之间加栅源之间加正向电压正向电压V VGGGG，漏源之间加正向电压，漏源之间加正向电压V VDDDD，如图3.8所示。图3.8 N沟道增强型MOS管工作原理 当uGS=0时，漏极和源极之间形成两个反向连接的PN结，其中一个PN结是反偏的，故漏极电流为零。 当uGS0时，会产生一个垂直于P型衬底的电场，这个电场将P区中的自由电子吸引到衬底表面，同时排斥衬底表面的空穴。u

7、GS越大，吸引到P衬底表面层的电子越多，当uGS达到一定值时，这些电子在栅极附近的P型半导体表面形成一个N型薄层，构成了漏极和源极之间的N型导电沟道。 若在漏源之间加上电压uDS，就会产生漏极电流iD。 将形成导电沟道时所需最小的栅、源电压称为将形成导电沟道时所需最小的栅、源电压称为开启电压，用开启电压，用“U UGS(th)GS(th)”表示。改变栅、源电压就表示。改变栅、源电压就可可以改变沟道的宽度，也就可以有效的控制漏极电流以改变沟道的宽度，也就可以有效的控制漏极电流i iD D。 3.特性曲线 N沟道增强型MOSFET的输出特性及转移特性如图3.9所示。 图 3.9 N沟道增强型MOS

8、FET特性曲线(a)输出特性 （b）转移特性 4.参数 MOSFET的参数与JFET基本相同。需要注意的是，在增强型管子中不用夹断电压UGS(off)，而用开启电压UGS(th)表征管子的特性。 3.2.23.2.2N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET 耗尽型场效应管的结构与代表符号如图3.10所示。 (a) N沟道结构图 （b） N沟道符号 （c） P沟道符号图3.10 耗尽型MOS管结构及符号图 图（a）为N沟道耗尽型MOS管的结构图，它与增强型场效应管不同的是这种管子在制造时，就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。由于正离子的作用，即使在uGS=0时也会在漏源之间形成导电

9、沟道，此时，只要在漏源之间加上正向电压uDS，就会产生漏极电流iD。 当栅源之间加反偏电压uGS时，沟道中感应的负电荷减少，从而使iD减小。 反偏电压uGS增大，沟道中感应的负电荷进一步减少。 当反偏电压增大到某一值时，沟道被夹断，使当反偏电压增大到某一值时，沟道被夹断，使i iD D=0=0，此时的，此时的u uGSGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用U UGSGS（offoff）表示。表示。 N沟道耗尽型场效应管的特性曲线如图3.11所示。（a）转移特性 （b）输出特性图3.11 N沟道耗尽型场效应管特性曲线 由图（a）可以看出，耗尽型耗尽型MOSMOS管的管的u uGSGS不论是不论是正

10、是负或零都可以控制正是负或零都可以控制i iD D。 在uGS UGS（off）时，iD与uGS的关系可用下式表示： 2)(1offGSGSDDDUuIi（3.4） 3.2 思考题思考题u绝缘栅型场效应管有哪几类？其逻辑符号有什么区别？u各类绝缘栅型场效应管在正常工作时，应如何施加电压？返回3.3 3.3 各种各种FETFET的特性比较及使用注意事项的特性比较及使用注意事项3.3.1 各种FET的特性比较各种FET的特性比较如表3.1所示。表 3.1各种场效应管的特性比较工作方式符 号电压极性转移特性iD=f(uGS)输出特性iD=f(uDS)uGSuDS绝缘栅(MOSFET)N型沟道耗尽型(

11、-)(+)(+)增强型(+)(+)绝缘栅(MOSFET) P型沟道耗尽型(+)(-)(-)增强型(-)(-)结型(JFET)P型沟道耗尽型(+)(-)结型(JFET)N型沟道耗尽型(-)(+)sgd衬gds衬sdg衬gds衬sgdsgdiDuGSOOuGSiDOiDuGSOuGSiDuGSOiDuGSOiDiDuDS0 VuGS 0.2 V 0.2 V 0.4 VOuGS 5 ViDuDS4 V3 VO0 ViDuDSuGS1 V1 V2 VOiDuDSOuGS6 V5 V4 VuDSOiD3 V 2 V1 VuGS0 ViDuDSO3 V2 V1 VuGS 0 V- 3.3.2 3.3.2

12、使用注意事项及检测方法使用注意事项及检测方法 1.注意事项 （1）在MOS管中，可将源极与衬底连在一起。 （2）出厂时已将源极与衬底连在一起的，源极与漏极不能对调。 （3）JFET的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保存。而MOSFET不使用时，须将各电极短路。 （4）焊接时，电烙铁必须有外接地线。特别是焊接MOSFET时，最好断电后再焊接。 2.检测 由于绝缘栅型（MOS）场效应管输入阻抗高，不宜用万用表测量，必须用测试仪测量，而且测试仪器必须良好接地，测试结束后应先短接各电极，以防外来感应电势将栅极击穿。 结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣。 （1）管脚的判别 首先确定栅极，将万

13、用表置R1K或R100档，用黑表棒接假设的栅极，再用红表棒分别接另外两脚。若测得的阻值小，黑、红表棒对调后阻值很大，则假设的栅极正确，并知它是N沟道场效应管，反之为P沟道场效应管。 其次确定源极和漏极，对于结型场效应管，由于漏、源极是对称的，可以互换，因此，剩余的两只管脚中任何一只都可以作为源极或漏极。 （2）质量判定 把万用表置R1K或R100档，红、黑两表棒分别交替接源极和漏极，阻值均小； 然后将黑表棒接栅极，红表棒分别接源极和漏极，对N沟道管阻值应很小，对P沟道阻值应很大； 再将红、黑表棒对调，测得的数值相反，这样的管子基本上是好的。否则要么击穿，要么断路。 3.3 思考题思考题u你能从

14、转移特性曲线上判别出场效应管的类型吗？u使用场效应管时应注意什么？返回3.4 3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路 3.4.1 FET3.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析 1.自偏压电路 电路及各元件的名称及作用如图3.12（a）所示。图3.12（a） 自偏压电路 在图中，UGS=-IDRS，适当选择RS值，可获得合适的栅偏压UGS。 2.分压式自偏压电路 分压式自偏压电路如图3.12(b)所示。图3.12 （b）分压式自偏压电路 在图中，漏极电源VDD经分压电阻Rg1和Rg2分压后，通过Rg3供给栅极电压为： UGRg2VDD(Rg1+Rg2) USIDRS

15、 SDDDgggSGGSRIVRRRUUU212 3.4.2 FET3.4.2 FET放大电路的动态分析放大电路的动态分析 1.电路组成 交流信号是从栅极输入，漏极输出，源极作为公共端。电路如图3.13(a)所示，其中C1、C2为耦合电容，其作用是隔直通交；CS为源极旁路电容，消除RS对交流信号的衰减，其交流通路如图3.13(b)所示。(a)电路图 (b)交流通路 图3.13 共源放大电路 2.微变等效电路 (1) 场效应管的微变等效电路 图3.14 场效应管微变等效电路 (2) 共源放大电路的微变等效电路 共源放大电路的微变等效电路如图3.15所示。 图3.15 共源放大电路的微变等效电路

16、3.性能指标的计算 (1) 电压放大倍数： Au= - id（RdRL）ugs = - gm RL （3.6） (2) 输入电阻： ri= Rg+（Rg1Rg2） （3.7） 由式(3.7)可以看出，Rg3的接入大大提高了放大电路的输入电阻。 (3) 输出电阻： ro=Rd （3.8）3.4 思考题思考题u 增强型MOS管能否采用自偏压电路来设置静态工作点？返回本本 章章 小小 结结 1. FET是电压控制电流器件，只依靠一种载流子 导电，因而属于单极型器件。 2. 在FET放大电路中，UDS的极性决定于沟道性质，N（沟道）为正，P（沟道）为负；为了建立合适的偏置电压UGS，不同类型的FET，对偏置电压的极性有不同要求：JFET的UGS与UDS极性相反，增强型MOSFET的UGS与UDS同极性，耗尽型MOSFET的UGS可正、可负或为零。 3.