模拟电子技术基础场效应晶体管及其基本放大电路

1、 场效应晶体管场效应晶体管 (Field Effect Transistor，FET)是电是电压型压型 (或电场型或电场型)控制器件，利用输入回路的电场效应控制器件，利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流，靠多数载流子导电，因而是来控制输出回路的电流，靠多数载流子导电，因而是单极型晶体管。单极型晶体管。FET具有输入电阻高具有输入电阻高 、噪声低、热稳、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，广泛应用于集成电路定性好、抗辐射能力强等优点，广泛应用于集成电路中。本章主要介绍中。本章主要介绍FET的结构、工作原理，以及的结构、工作原理，以及FET基本放大电路的分析方法。基本放大电路的分析方法。

2、 本章简介本章简介3 3.1 .1 结结型场效应晶体管型场效应晶体管3 3. .3 3 场效应晶体管放大电路场效应晶体管放大电路3 3. .2 2 绝缘绝缘栅型场效应晶体管栅型场效应晶体管3 场效应晶体管及其放大电路模拟电子技术基础3.1.1 3.1.1 JFETJFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.1.结构结构 2.2.工作原理工作原理3.1.2 3.1.2 N N沟道结型场效应晶体管的特性曲线沟道结型场效应晶体管的特性曲线 1.1.输出特性输出特性 2.2.转移特性转移特性本节内容本节内容FETFET结型场效应管结型场效应管JFETJFETN沟道(N-JFET)N沟道(N-JFET)

3、P沟道(P-JFET)P沟道(P-JFET)绝缘栅型效应管绝缘栅型效应管(MOSFET应用最广)(MOSFET应用最广)耗尽型耗尽型增强型增强型N沟道(D-NMOSFET)N沟道(D-NMOSFET)P沟道(D-PMOSFET)P沟道(D-PMOSFET)N沟道(E-NMOSFET)N沟道(E-NMOSFET)P沟道(E-PMOSFET)P沟道(E-PMOSFET) 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电

4、阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。g与与s、d均均无电接触无电接触uGS=0,导电沟导电沟道已存在道已存在uGS=0,无导电无导电沟道存在沟道存在导电沟道中多数载流导电沟道中多数载流子为电子子为电子3.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构与符号a) N-JFET结构示意图及其电路符号dsg耗尽层+P+PNgdsb) P-JFET结构示意图及其电路符号dsg耗尽层+N+NPgds导电沟道导电沟道漏极源极栅极漏极源极栅极箭头方向表示栅箭头方向表示栅-源极接正向偏置电压源极接正向偏置电压时，栅极电流的方向是由时，栅极电流的方向是由P指向

5、指向N 3.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 工作原理(1) uDS=0, uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 导电沟道已在导电沟道已在, 耗尽层最窄耗尽层最窄, 导导电沟道最宽。电沟道最宽。| uGS| 耗尽层变耗尽层变宽宽, 导电沟道变导电沟道变窄。窄。导电沟道导电沟道被夹断。被夹断。夹断电压夹断电压UGS(off) : 导电沟道刚好消失时栅导电沟道刚好消失时栅-源极所加电压源极所加电压 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？必须加负电压？3.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 工作原理(2) 0uG

6、S UGS(off) （为恒定值）, uDS对对iD的影的影响响 uGDUGS（off）沟道中没有任何沟道中没有任何一处被夹断，一处被夹断，uDS增大，增大，iD增大。增大。uGD=UGS（off）沟道在沟道在d端被夹端被夹断断预夹断。预夹断。uGDUGS(off)饱和漏饱和漏电流电流3.2.1 3.2.1 增强型增强型MOSFETMOSFET1.1.结构结构 2.2.工作原理工作原理3.3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程3.2.2 3.2.2 耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET 1.1.结构结构 2.2.工作原理工作原理3.3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程本节内容本节内容3.

7、2.1 增强型增强型MOSFET1. 结构与符号漏极源极栅极dsgBb) 电路符号+N+Nsgd衬底引线BP型硅衬底2SiO绝缘层耗尽层a) 结构示意图图3-5 N沟道增强型MOSFET结构图及符号高掺杂高掺杂3.2.1 增强型增强型MOSFET2. 工作原理（1） 导电沟道的形成（s与B相连，uDS=0)1） uGS=0, iD=0，导电沟道未形成2) uGS产生产生gs垂直电场垂直电场,吸引电子吸引电子,排斥空穴排斥空穴,形成形成耗尽层耗尽层.因因 uGS 较小较小, 导电导电沟道未形成沟道未形成, iD=0.3) uGSUGS(th)衬底表面形成反衬底表面形成反型层将两个型层将两个N+区

8、连通区连通, 导电沟导电沟道形成道形成.开启电压开启电压3.2.1 增强型增强型MOSFET2. 工作原理 （2） 导电沟道形成后uDS对iD的影响（uGSUGS(th)uGDUGS（th）沟道中没有任何沟道中没有任何一处被夹断，一处被夹断，uDS增大，增大，iD增大。增大。uGD=UGS（th）沟道在沟道在d端被夹端被夹断断预夹断。预夹断。uGDUGS（th）夹断区向源极延夹断区向源极延伸伸,uDS增大增大,iD几几乎不变乎不变,仅决定于仅决定于uGS 。3.2.1 增强型增强型MOSFET3. 特性曲线与电流方程2GSDDOGS(th)1uiIU恒流区转移特性:DSGSGS(th)uuU3

9、.2.2 耗尽型耗尽型MOSFET1. 结构与符号实线表示实线表示uGS=0时，时，导电沟道已存在导电沟道已存在小到一定小到一定值才夹断值才夹断3.2.2 耗尽型耗尽型MOSFET2. 工作原理uuGSUGS(off) ,沟道完全被夹断沟道完全被夹断, iD=0夹断区。夹断区。u当当uGSUGS(off) 且为确定值且为确定值, uDS对对iD的影响的影响:0uDSuGS-UGS(off)恒流区恒流区, iD的趋于饱和的趋于饱和,不随不随uDS而变而变.3.2.2 耗尽型耗尽型MOSFET3. 特性曲线与电流方程 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导时均可导

10、通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。2GSDDSSGS(off )1uiIU恒流区转移特性方程恒流区转移特性方程与与JFET完全相同完全相同MOS管的特性总结：N沟道增强型沟道增强型MOS管管N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管夹断夹断电压电压DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，2GSDDSSGS(off )1uiIU恒流区: DSSGSD0Iui为时的 值P沟道增强型沟道增强型MOS管管dsgBP沟道耗尽型

11、沟道耗尽型MOS管管dsgBPMOSFET外加的外加的uDS必须是负值，增强型必须是负值，增强型PMOSFET的的开启电压也是负值。箭头向外表示实际的电流方向为流开启电压也是负值。箭头向外表示实际的电流方向为流出漏极，与通常的假定正好相反出漏极，与通常的假定正好相反 工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？

12、uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 3.2.3 各种各种FET特性比较及使用注意事项特性比较及使用注意事项3.2.4 FET的主要参数及低频小信号等效电路模型的主要参数及低频小信号等效电路模型1.主要参数直流参数：GS(off )UGS(th)UDSSIGSR交流参数：GSDSdsDContdduuriDSDmGSContuigugsCgdC 极限参数：DMIDMP(BR)DSU(BR)GSU3.2.4 FET的主要参数及低频小信号等效电路模型的主要参数及低频小信号等效电路模

13、型2.低频小信号等效电路模型及参数求取DGSDS,if uuDSQGSQDDDGSDSGSDSdddUUiiiuuuudmgsdsds1Ig UUrmDSS DQGS off2 (D-MOSFET and JFET) gIIUmDODQGS th2 (E-MOSFET)gIIU3.3.1 3.3.1 共源放大电路共源放大电路1.1.自给偏压共源放大电路自给偏压共源放大电路 2.2.分压式偏置共源放大电路分压式偏置共源放大电路3.3.2 3.3.2 共漏放大电路共漏放大电路 本节内容本节内容FET放大电路FET放大电路偏置电路偏置电路自给偏压:适于结型和耗尽型MOSFET自给偏压:适于结型和耗尽

14、型MOSFET分压式偏压:适于所有类型MOSFET分压式偏压:适于所有类型MOSFETGSQUDQIDSQUG0iBJT：发射极：发射极e、基极、基极b、集电极、集电极c，共射，共射CE、共集、共集CC、共基、共基CB FET：源极：源极s、 栅极栅极g、漏极、漏极d， 共源共源CS、共漏、共漏CD、共栅、共栅CG3.3.1 共源放大电路共源放大电路1.自给偏压共源放大电路：由N-JFET构成（1）静态分析G0i恒流区工作条件：GSQGQSQDQsUUUIR 2GSQDQDSSGS(off )1UIIUDSQDDDQdsUVIRRDQIGSQU和DSQUGS(off )GS0UuDSGSGS(

15、off )uuUDDSSiI3.3.1 共源放大电路共源放大电路1.自给偏压共源放大电路 （2）动态分析.mgsLoddLumL.igsgs(/)g URUIRRAg RUUU iigiURRIodRRLdL/RRR 【例3-1】 gRDiLR2CDDVsR1CsCdgsDidRDSuOu10k10k2k10M( 18V)GS(off)4V UDSS4mAI3GSQDQsDQ22GSQGSQ3DQDSSGS(off )2 1014 1014UIRIUUIIU DQ1GSQ1(1mA,2V)IU DQ2GSQ2(4mA,8V)IU 合理不合理DSQDDDQds18 1102 V6VUVIRR m

16、DSSDQGS(off )224 1 mS1mS4gIIU .umdL(/)1 55AgRR ig10MRRod10kRR3.3.1 共源放大电路共源放大电路2.分压式偏置共源放大电路： 由E-NMOSFET构成（1）静态分析g1GQADDg1g2RUUVRR图3-17 分压式偏置共源放大电路及其直流通路b) 直流通路DQIDSQUg1RDDVsRdgsdRg3Rg2RGSQUAa) 共源放大电路g1RDiLR2CDDVsR1CsCdgsDidRIuDSuOug3Rg2RASQDQsUIRg1GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUVIRRR2GSQDQDOGS(th)1UIIUDSQDDDQ

17、dsUVIRR3.3.1 共源放大电路共源放大电路2.分压式偏置共源放大电路 （2）动态分析iig3g1g2i/URRRRI.oddLumL.igs(/) UIRRAg RUUodRRmDODQGS th2 (E-MOSFET)gIIU3.3.2 共漏放大电路共漏放大电路（1）静态分析g1GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUVIRRR2GSQDQDOGS(th)1UIIUDSQDDDQsUVIR3.3.2 共漏放大电路共漏放大电路（2）动态分析求增益及输入电阻.oodsLmLu.gsomLigsdsL(/)1(/)UUIRRg RAUUg RUUIRRiig3g1g2i/URRRRImL1 若g R.u1A输入电阻大输入电阻大3.3.2 共漏放大电路共漏放大电路（2）动态分析求输出电阻mgsg UdILRssRgdg3Rg1RiUoU+-gsUg2Rgsgsooodmgsm1 UUURIIg Ugooossom1/URRRRIg输出电阻小输出电阻小【例3-2】 GS(th)2VUDO1mAIg1GSQDDDQsg1g22GSQDQDOGS(th)1RUVIRRRUIIUDQ1GSQ1(6.562mA,3.124V) IUDQ2GSQ2(2.439mA,5.122V)IU合理不合理DSQDDDQs7.122VUVIRmDODQGS(th)21.562mSgIIUg1