信号与系统-第三章-场效应管及其放大电路课件

第三章场效应管及其放大电路3.1场效应晶体管3.1.1结型场效应管3.1.2绝缘栅场效应管3.1.3场效应管的参数3.2场效应管工作状态分析及其偏置电路3.2.1场效应管的工作状态分析3.2.2场效应管的偏置电路3.3场效应管放大电路3.3.1场效应管的低频小信号模型3.3.2共源放大电路3.3.3共漏放大电路第三章场效应管及其放大电路3.1场效应晶体管3.1.场效应晶体管（场效应管）：

只有一种载流子（多子）起运载电流的作用。

也称作单极型晶体管。双极型晶体管：多子与少子同时参加导电。3.1场效应晶体管场效应管的优点：P70场效应晶体管（场效应管）：

只有一种载流子（多子）起运载电流

场效应管FET(FieldEffectTransistor)结型场效应管JFET(JunctionFET)绝缘栅场效应管IGFET(InsulatedGateFET)场效应管的分类：场效应管FET结型场效应管JFET绝缘栅场效应管3.1.1结型场效应管（JFET）N型沟道PPDGSGate栅极Source源极Drain漏极1）P区重掺杂。2）源极和漏极可以互换。结型场效应管的结构：注意：DSG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主要以N沟道结型场效应管为例讲解。3.1.1结型场效应管（JFET）N型沟道PPDGSGatP型沟道NNDGSDSGP沟道JFET的结构示意图和表示符号：P型沟道NNDGSDSGP沟道JFET的结构示意图和表示符号结型场效应管的工作原理：N型沟道PPDGS注意：需在栅极和源极之间加上负的电压UGS，

在漏极和源极之间加上正的电压UDS。结型场效应管的工作原理：N型沟道PPDGS注意：NDGSPP(a)UGS=0，导电沟道最宽栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图：(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGSNDGSPP(a)UGS=0，导电沟道最宽栅源电压UGS(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断DSPPUGSUGSoff——夹断电压此时漏极电流ID＝0。(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断DSPPUGSUGSo关于栅源电压的控制作用JFET沟道电阻的大小受其栅源电压的控制，

可以看成是一个电压控制的可变电阻器。关于栅源电压的控制作用JFET沟道电阻的大小受其栅源电压的控DGSUDSUGSIDPP>0沟道预夹断DGS(a)预夹断前UDSID＞0UGSPPUDS对导电沟道的影响：b)预夹断时思考：预夹断时UGS、UGD

满足什么条件？DGSUDSUGSIDPP>0沟道预夹断DGS(a)预夹预夹断前：ID随着UDS的增加而增加，大体呈线性上升关系，沟道等效为一个线性电阻。预夹断后：夹断区是高阻区，尽管UDS增大，但其增大的电压基本上都落在夹断区上，沟道两端的压降几乎不变，使ID几乎不变，表现出ID的恒流作用。完全夹断后：ID=0。预夹断前：预夹断后：完全夹断后：ID=0。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－0.5VN沟道JFET的输出特性曲线：图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲2.恒流区预夹断后所对应的区域。uGSoff＜uGS＜0且uGD＜uGSoff1.可变电阻区预夹断前所对应的区域。uGSoff＜uGS＜0且uGD＞uGSoff。3.击穿区uDS增大，uDG也随之增大，过大时PN结在靠近漏极处发生击穿。4.截止区当uGS＜uGSoff时，沟道被全部夹断。iD=02.恒流区预夹断后所对应的区域。uGSoff＜uGS＜0且uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)JFET的转移特性曲线为保证场效应管正常工作，结型场效应管的栅源间必须加反向电压。（2）转移特性曲线两个重要参数：IDSS：

饱和电流；

表示uGS=0时的iD值；UGSoff：夹断电压

uGS=UGSoff时iD为零。uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/恒流区中：恒流区中：3.1.2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，其输入阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。IGFET也称为MOSFET。

OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

金属——氧化物——半导体场效应管绝缘体一般为二氧化硅（SiO2）。3.1.2绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了MOSFETN沟道P沟道N沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型MOSFETP沟道增强型MOSFETP沟道耗尽型MOSFET分类:MOSFETN沟道P沟道N沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型一、N沟道增强型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底N＋N＋L耗尽层A1层SGD(a)立体图一、N沟道增强型MOSFET

(Enhanc(b)剖面图SGDN＋N＋P型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线B半导体金属电极DGSB(c)电路符号(b)剖面图SGDN＋N＋P型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引UGS=0，源极与漏极间导电沟道未形成N＋N＋P型衬底DSG工作原理：UGS=0，源极与漏极间导电沟道未形成N＋N＋P型衬底DSG加在栅极和衬底之间的正电压将产生一个电场，这个电场将排斥紧靠绝缘层表面的空穴，而把电子吸引到绝缘层表面。当自由电子的浓度大于空穴浓度后，这一薄层将由P型转变成N型，通常称这一薄层为反型层，它将在两个N+区之间形成一个电子导电沟道。UGS>0,UDS=0N＋导电沟道（反型层）P型衬底UGSN＋B加在栅极和衬底之间的正电压将产生一个电场，这个电场将排斥紧靠定义开启电压：UGSth当UGSUGSth，导电沟道已形成.

当UGS<UGSth，导电沟道未形成沟道形成后，如果让uDS加上正电压，源极的自由电子将沿着沟道到达漏极，形成漏极电流iD。定义开启电压：UGSth当UGSUGSth，导电沟道已形uDS增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底UGSN+N+预夹断uDS增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底UGSN+N+预uDS增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底UGSN+N+uDS增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底UGSN+N+2.N沟道增强型MOSFET管的转移特性曲线(1)当uGS<UGSth时，iD=0。(2)当uGS>UGSth时，iD>0，二者符合平方律关系。UGSth>0UGS为正值。2.N沟道增强型MOSFET管的转移特性曲线(1)当uGSuDS为正值。3.N沟道增强型MOSFET管的输出特性曲线iD0uDSUGS＝6V截止区4V3V2V5V可变电阻区恒流区区穿击uDS为正值。3.N沟道增强型MOSFET管的输出特性曲线(1)可变电阻区预夹断前所对应的区域。uGS>UGSthuGD>UGSth(2)恒流区预夹断后所对应的区域。uGS>UGSthuGDUGSth(4)截止区uGS<UGSth导电沟道未形成，iD=0。(3)击穿区uDSUBR(DSO)时，进入击穿区。(1)可变电阻区预夹断前所对应的区域。uGS>UGSthuG恒流区中：其中：W为沟道宽度；L为沟道长度；

k是与MOSFET的类型、结构有关的制造参数。COX：栅极－绝缘层－沟道形成的MOS电容

（每单位面积的电容量）：电子迁移率（单位电场作用下电子的平均速度）恒流区中：其中：W为沟道宽度；L为沟道长度；

uDSiD0UGS厄尔利电压

:沟道调制系数uDSiD0UGS厄尔利电压:沟道调制系数二、N沟道耗尽型MOSFET

(DepletionNMOSFET)

N沟耗尽型MOSFET的结构与N沟增加型MOSFET的结构相似，所不同的只是在制造器件时已在源区和漏区之间做成了N型沟道。二、N沟道耗尽型MOSFET

(DepletionBN＋导电沟道（反型层）P型衬底N＋UGS=0，导电沟道已形成例如：在栅极下面的绝缘层中掺入了大量碱金属正离子，形成许多正电中心，即使uGS=0，由于正离子的存在仍能产生垂直电场，形成导电沟道。BN＋导电沟道（反型层）P型衬底N＋UGS=0，导电沟道已形图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)DGSBuGS可正可负。图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(c)DGSBuG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)表示符号图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号式中：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：可见：公式形式与结型场效应管相同。式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；恒流区场效应管的类型：场效应管FET结型场效应管JFET绝缘栅场效应管IGFET或MOSFET增强型MOSFET耗尽型MOSFET另外：每一种场效应管又有N沟道和P沟道之分。小结：各种场效应管的符号与特性场效应管的类型：场效应管FET结型场效应管绝缘栅场效应管IG各种场效应管的符号：DGSDGSN沟道P沟道JFET图示：各种场效应管的符号对比1各种场效应管的符号：DGSDGSN沟道P沟道JFET图示：各图示：各种场效应管的符号对比2图示：各种场效应管的符号对比2恒流区，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用：

JFET或耗尽型MOSFET：增强型MOS管：恒流区，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用：

JFET或iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth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沟图示：各种场效应管的转移特性对比N沟道：P沟道：iDuGSU