场效应管及实际基本电路

第三章场效应管及其基本电路3―1结型场效应管3―1―1结型场效应管的结构及工作原理3―1―2结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线二、输出特性曲线1.可变电阻区2.恒流区3.截止区4.击穿区2023/7/713―2绝缘栅场效应管(IGFET)3―2―1绝缘栅场效应管的结构3―2―2N沟道增强型MOSFET一、导电沟道的形成及工作原理二、转移特性三、输出特性(1)截止区(2)恒流区(3)可变电阻区2023/7/723―2―3N沟道耗尽型MOSFET3―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比3―3场效应管的参数和小信号模型3―3―1场效应管的主要参数一、直流参数二、极限参数三、交流参数3―3―2场效应管的低频小信号模型2023/7/733―4场效应管放大器3―4―1场效应管偏置电路一、图解法二、解析法3―4―2场效应管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器2023/7/74第三章场效应管及其基本电路（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。2023/7/75场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。

场效应管FET(FieldEffectTransistor)结型场效应管JFET(JunctionFET)绝缘栅场效应管IGFET(InsulatedGateFET)双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。2023/7/763―1结型场效应管3―1―1结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构.avi一、结型场效应管的结构2023/7/77P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向2023/7/78NDGSPP(a)UGS=0，沟道最宽图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图二、结型场效应管的工作原理2023/7/79(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：︱UGS︱↑↑→沟道宽度→PN结耗尽层宽度↓2023/7/710(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff——夹断电压2023/7/711DGSUDSUGSIDPP>0沟道预夹断DGS(a)uGD>UGSoff（预夹断前）UDSID＞0UGSPP

图3―4uDS对导电沟道的影响

uGD=UGSoff（预夹断时）纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）2023/7/712由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不变。DGSUDSUGS沟道局部夹断IDPP几乎不变(b)uGD<UGSoff（预夹断后）结型场效应三极管漏源电压对沟道的控制作用.avi2023/7/7133―1―2结型场效应管的特性曲线一、输出特性曲线1.可变电阻区iD的大小同时受uGS

和uDS的控制。uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）uGS>UGSoff预夹断前所对应的区域。uGS≤0，uDS≥02023/7/714图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流区击穿区UGS＝0VUGSoff－0.5V漏极输出特性曲线.avi2023/7/715

当uDS很小时，uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时，uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。2023/7/7162.恒流区iD的大小几乎不受uDS的控制。预夹断后所对应的区域。uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）uGS>UGSoff(1)当UGSoff<uGS<0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大极小。2023/7/7174.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。当UGS<UGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3.截止区2023/7/718二、转移特性曲线式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；

UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。恒流区中：uGS≤0，iD≥02023/7/719uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线2023/7/720uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流区击穿区UGS＝0VUGSoff－0.5V从输出特性曲线作转移特性曲线示意图转移特性曲线.avi2023/7/7213―2绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属——氧化物——半导体场效应管，用符号MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介2023/7/722MOSFETN沟道P沟道增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类2023/7/7233―2―1绝缘栅场效应管的结构3―2―2N沟道增强型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理UGS=0，导电沟道未形成PN结(耗尽层)N＋N＋P型衬底DSG2023/7/724B(a)UGS<UGSth，导电沟道未形成N＋UGSN＋PN结(耗尽层)P型衬底图3―6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号开启电压：UGSthDSG2023/7/725图3―6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号BN＋导电沟道（反型层）P型衬底UGSN＋DGS(c)符号B衬底的箭头方向表示PN结若加正向电压时的电流方向(b)UGS>UGSth，导电沟道已形成栅源电压VGS对沟道的影响.avi2023/7/726图uDS增大，沟道预夹断前情况BUDSP型衬底UGSN+N+2023/7/727图3―9uDS增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底UGSN+N+预夹断2023/7/728图uDS增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底UGSN+N+漏源电压VDS对沟道的影响.avi2023/7/729二、输出特性(1)截止区uDS≥0uGS<UGSth导电沟道未形成，iD=0。(2)可变电阻区预夹断前所对应的区域。uGS>UGSthuGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）2023/7/730iD0uDSUGS＝6V截止区4V3V2V5V可变电阻区恒流区区穿击

图3―8输出特性(a)输出特性2023/7/731(3)恒流区·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。预夹断后所对应的区域。uGS>UGSthuGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）2023/7/732三、转移特性(1)当uGS<UGSth时，iD=0。(2)当uGS>UGSth时，iD>0，二者符合平方律关系。iD≥02023/7/733uGS/V032112345UGSthiD/mA图3―7NMOSFET的转移特性曲线2023/7/7343―2―3N沟道耗尽型MOSFET

(DepletionNMOSFET)ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。2023/7/735图N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成BN＋导电沟道（反型层）P型衬底N＋UGS=0，导电沟道已形成2023/7/736图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号2023/7/737图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB2023/7/7383―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道JFET图3―11各种场效应管的符号对比2023/7/739图3―11各种场效应管的符号对比2023/7/740JFET：利用栅源电压（输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。MOSFET：利用栅源电压（输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。FET输入电压输出电流GSSDuGSiD2023/7/741iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：P沟道：2023/7/742图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性可变电阻区01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9结型P沟耗尽型MOSP沟－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道：P沟道：2023/7/743放大饱和/可变电阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBJT与FET工作状态的对比2023/7/744场效应管工作状态的判断方法1.先判断是否处于截止状态2.再判断是否处于放大状态或或指导思想：假设处于某一状态，然后用计算结果验证假设是否成立。2023/7/7453―3场效应管的参数和小信号模型

3―3―1场效应管的主要参数一、直流参数1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：(2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。对应uGS=0时的漏极电流。2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。2023/7/7463.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在108~1012Ω之间。对MOS管，RGS在1010~1015Ω之间。通常认为RGS→∞。

二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS2023/7/747三、交流参数1跨导gm对JFET和耗尽型MOS管那么2023/7/748而对增强型MOSFET那么，对应工作点Q的gm为2023/7/7492.输出电阻rds恒流区的rds可以用下式计算UA为厄尔利电压。2023/7/750

若输入为正弦量，上式可改写为通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则3―3―2场效应管的低频小信号模型2023/7/751rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图3―13场效应管低频小信号简化模型2023/7/7523―4场效应管放大器3―4―1场效应管偏置电路偏置方式自偏压方式混合偏置方式确定直流工作点方法图解法解析法适宜JFET、DMOSFET适宜JFET、DMOSFET、EMOSFET2023/7/753

图3―14场效应管偏置方式

(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)2023/7/754一、图解法栅源回路直流负载线方程1.自偏压方式RDUDDRSuiRGV图3―15(a)图解法求自偏压方式电路的直流工作点Q2023/7/755图3―15(b)图解法求混合偏置方式电路直流工作点2.混合偏置方式栅源回路直流负载线方程RDUDDRSuiRG2RG12023/7/756二、解析法已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。RDUDDRSuiRGV2023/7/757

3―4―2场效应管放大器分析一、共源放大器图3―16(a)共源放大器电路2023/7/758图3―16(b)共源放大器电路低频小信号等效电路2023/7/759ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V图3―18(a)带电流负反馈的放大电路例试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。2023/7/760图3-18(b)(c)带电流负反馈放大电路的等效电路及简化等效电路2023/7/761C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V图3―19(a)共漏电路二、共漏放大器2023/7/762图3―19(b)共漏电路等效电路＋－UoRLRSSDIdgmUgs＝gm[Ui-Id(RS

RL)]//2023/7/7631.放大倍数Au

＋－UoRLRSSDIdgmUgs2023/7/7642.输入电阻C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V2023/7/765图3―20计算共漏电路输出电阻Ro的电路3.输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋UoRG31MRL10k＋－＋－Uigm＝2mA/VIo2023/7/766图3―20计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路2023/7/7672023/7/768作业3-13-33-43-53-73-82023/7/769uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为保证场效应管正常工作，PN结