电子技术基础第三章场效应管及其放大电路课件

第二节结型场效应管的结构和工作原理第三节绝缘栅场效应管的结构和工作原理第四节场效应管放大电路第三章场效应管及其放大电路第一节场效应管概述2/6/2023作业3-13-43-63-122/6/2023场效应管出现的历史背景场效应管的用途场效应管的学习方法场效应管的分类第一节场效应管概述2/6/2023场效应管的用途场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作电压控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。2/6/2023场效应管的学习方法学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。2/6/2023N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管FET结型JFETIGFET(MOSFET)绝缘栅型场效应管的分类2/6/2023一、结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSD导电沟道N+N+PGSDN沟道JFETP沟道JFET栅极漏极源极2/6/2023二、结型场效应管（JFET)的工作原理参考方向做如下约定:2/6/2023（1）电压源UGS和电压源UDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源UGS起作用，电压源UDS的电压值为0；（3）只有电压源UDS起作用，电压源UGS的电压值为0；（4）电压源UGS和电压源UDS同时起作用。在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。按照如下的思路来讲解：2/6/2023（2）在UDS=0伏的前提下：│UGS│从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐渐增加UGS=-1伏

此时导电沟道从漏极到源极平行等宽这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1UGS给PN结施加的是一个反偏电压2/6/2023（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐渐增加至UGS=Up（夹断电压）当│UGS│逐渐增加至UGS=Up时（不妨取Up=-3伏），由UGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。Up是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。2/6/2023

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│继续增加，结型场效应管进入击穿状态UGS增加使PN结上的反偏电压超过U（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。2/6/2023导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当UDS比较小时

，导电沟道不会被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。2/6/2023（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│时

PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹断。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS。2/6/2023（3.3)UGS=0伏、UDS继续增加

2/6/2023（3.4)UGS=0伏、UDS继续增加至U（BR）DS

PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，记为U（BR）DS。2/6/2023(4)在UGS=-1伏（即│UGS│<│Up│的某个值）的前提下，当UDS由小变大时，JFET的状态(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比较小时导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。2/6/2023(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断

如图所示，当UDS的值增加至某值（此值比│Up│小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有│UGS│+UDS=│Up│。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的UDS值比A点对应的UDS值小，因为UDS=│Up│-│UGS│<│Up│。2/6/2023(4.4）UGS=-1伏、UDS继续增加至出现PN结击穿UGS和UDS电压源分别使PN结反偏，它们共同作用使靠近漏极的PN结承受最大的反偏电压，UDS增加使PN结上的反偏电压过大时，在靠近漏极的区域首先出现反向击穿。结型场效应管进入反向击穿状态，此时的UDS值比UGS=0时出现反向击穿的UDS小。2/6/2023(5)当UGS≤UP时，JFET处于截止状态当UGS≤UP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。

不同UGS下预夹断点相连成一条曲线，此曲线与纵轴相夹的区域称为可变电阻区。此时场效应管当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用。可变电阻区在数字电路中作为开关元件的一个状态，相当于开关闭合，此时的UDS记为UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。2/6/2023JFET的三个状态恒流区（放大区、饱和区）可变电阻区截止区2/6/2023场效应管的应用小结

一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用，VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压VGS控制电阻的大小，管子工作在可变电阻区，当作压控可变电阻使用时，导电沟道还没有出现预夹断；二是当作电压控制器件用来组成放大电路，VGS电压控制漏极电流的大小，控制比例系数为gm,VGS电压的绝对值越大，漏极电流越小，管子工作在恒流区（放大区、饱和区），此时导电沟道已经出现预夹断，夹断区域向漏极方向延伸，但是仍然留存一部分导电沟道；三是在数字电路中用做开关元件，管子工作在可变电阻区和截止区，有两个明确、稳定的状态。漏极和源极相当于开关的两个触点，在可变电阻区，相当于开关闭合，在截止区，相当于开关断开，场效应管相当于一个无触点的开关。2/6/2023第三节绝缘栅场效应管（IGFET)的结构和工作原理一、IGFET的结构2/6/2023MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管MOS场效应管分类2/6/20232/6/20232/6/2023二、增强型MOS场效应管一N沟道增强型MOS场效应管结构二N沟道增强型MOS的工作原理三N沟道增强型MOS场效应管特性曲线2/6/2023一、N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D→集电极C源极S→发射极E绝缘栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管2/6/2023P沟道增强型MOS场效应管结构2/6/2023二、N沟道增强型MOS的工作原理2/6/2023按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。2/6/2023（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结2/6/2023（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（2.1）当VDS=0V，VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。（2.2）当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道2/6/2023（2.3）当VDS=0V，VGS>VT时,沟道加厚开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管2/6/2023（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值（3.1）电压源VDS的值较小导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降2/6/2023（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0（3.2）电压源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和。vDS(V)iD(mA)2/6/2023（3.3）电压源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。vDS(V)iD(mA)2/6/2023三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。vGS/V2/6/2023三、耗尽型MOS场效应管一N沟道耗尽型MOS场效应管结构二N沟道耗尽型MOS的工作原理三N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线2/6/2023一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构2/6/2023P沟道耗尽型MOS场效应管结构2/6/2023二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理

当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS＞0时,将使iD进一步增加。当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。VGS(V)iD(mA)VPN沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS>0N沟道增强型MOS管只能工作在VGS>02/6/2023三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线2/6/2023场效应管的主要参数2.夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。1.开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。4.直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。5.漏源击穿电压V(BR)DS:使ID开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压V(BR)

GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压2/6/20237.低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。8.输出电阻rds9.极间电容Cgs—栅极与源极间电容Cgd—栅极与漏极间电容

Csd—源极与漏极间电容2/6/2023第四节场效应管放大电路场效应管偏置电路三种基本放大电路FET小信号模型2/6/20232/6/2023一、场效应管放大电路的直流通路场效应管偏置电路的关键是如何提供栅源控制电压UGS1、自偏压电路：只适合结型场效应管和耗尽型MOS管，不适合增强型MOS管2、分压式自偏压电路：适合增强型MOS管，当然更适合耗尽型的管子2/6/2023VGS=VG-VS=-ISRS≈-IDRSVGSQ和IDQVDSQ=ED-IDQ(RS+RD)RS的作用：1.提供栅源直流偏压。2.提供直流负反馈，稳定静态工作点。RS越大，工作点越稳定。1、自偏压电路：2/6/2023大电阻（M)，减小R1、R2对放大电路输入电阻的影响R1R2提供一个正偏栅压UG2、分压式自偏压电路：2/6/2023VGS=VG-VS-IDRSVGS和IDVDS=ED-ID(RS+RD)2/6/2023-IDRSVGS=VG-VS注：要求VG>VS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能正常工作2/6/2023二、场效应管的低中频小信号模型

iD由输出特性：iD=f(vGS,vDS)SDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs2/6/2023三、三种基本放大电路1、共源放大电路2/6/2023（1）直流分析VGS=VG-VS-IDRSVGSQ和IDQVDSQ=ED-IDQ(RS+RD)画直流通路，标参考方向，列方程，求Q点2/6/2023基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmVgsSVgsViVo未接Cs时一般rds较大可忽略=-gmVgsR'DVgs+gmVgsRs=-gmR'D1+gmRsR'D=RD//RL（2）动态分析Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo≈RDRiRo2/6/2023IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmVgsSVgsViVo未接Cs时=-gmR'D1+gmRsRiRi=RG+(R1//R2)≈RGRoRo≈RD接入Cs时AV=-gm(rds//RD//RL)Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo=RD//rds≈RDRs的作用是提供直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入CS可以消除RS对交流的负反馈作用。2/6/2023ri2、共漏放大电路GSDViRGGVoRLRSgmVgsrdsSD=gmVgsR'SVgs+gmVgsR's=gmR'S1+gmR'sR'S=rds//RS//RL≈RS//RL<1gmR'S>>1AV≈1ri=RGVgs+-电压增益输入电阻2/6/2023输出电阻Vgs+-gmVgsRS+-VoIoRoViGVoSRGRLRSgmVgsrdsDVgs+--gmVgsVgs=-Vo=Vo(1/Rs+gm)=gmR'S1+gmR's电压增益Ri=RG输入电阻2、共漏放大电路2/6/20233、共栅放大电路SGDrdsgmVgsSGD电压增益IdId=gmVgs+Vds/rdsVds=Vo-ViVo=-IdR'DVgs=-ViId=-gmVi+(-IdR'D-Vi)/rdsr'iri2/6/2023SGDrdsgmVgsSGDIdr'i输入电阻R'i

=Vi/IdR'i

≈1/gmriRi≈Rs//1/gm2/6/2023电压增益AV≈gmR'D输入电阻R'i≈1/gmRi≈Rs//1/gmSGDrdsgmVgs输出电阻roR'o=rdsRo=rds//RD≈RD电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相2/6/2023组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：三种基本放大电路的性能比较2/6/2023输出电阻：BJTFET输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：三种基本放大电路的性能比较2/6/2023解：画中频小信号等效电路例题放大电路如图所示。已知试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。VOßIbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_2/6/2023例题由于则VOßIbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_RiRo2/6/2023比较内容场效应管三极管导电机理只依靠一种载流子（多子）参与导电，为单极型器件。两种载流子（多子和少子）参与导电，为双极型器件。放大原理输入电压控制输出电流，gm=0.1ms~20ms输入电流控制输出电流，例如，β=20~100特