2019年中考数学二轮复习-第三章-函数-第10课时-平面直角坐标系与函数课件-(新版)苏科版

3.1结型场效应管3.3场效应管放大电路3.2绝缘栅场效应管

第3章

场效应管及其基本放大电路3.1结型场效应管3.3场效应管放大电路3.2绝11.场效应管类型的判断3.场效应管三种工作状态的判断。2.场效应管三种工作状态的特点和条件。本节重点：1.场效应管类型的判断3.场效应管三种工作状态的判断。2.场23.1.1结型场效应管的结构及类型3.1.3结型场效应管的伏安特性3.1.2结型场效应管的工作原理3.1.4结型场效应管的主要参数3.1结型场效应管3.1.1结型场效应管的结构及类型3.1.3结型场效3

BJT是一种电流控制元件(iB～iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。

场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS～iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。引言

FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。

BJT是一种电流控制元件(iB～iC)，工作时，4场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：增强型耗尽型绝缘栅型场效应管(IGFET)结型场效应管(JFET)场效应管(FET)N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道引言场效应管FET(FieldEffectTrans53.1结型场效应管3.1.1结型场效应管的结构及类型N沟道JFETP沟道JFET结型场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS≤0，漏源之间加正向电压，即UDS＞0。漏极栅极源极3.1结型场效应管3.1.1结型场效应管的结构及类63.1.2结型场效应管的工作原理1.当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用uGS=0

UGS（off）<uGS<0

uGS≤UGS（off）

夹断电压：UGS(off)3.1.2结型场效应管的工作原理1.当uDS=0时，栅71.当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用uGS对导电沟道的控制作用：(1)uGS=0时，导电沟道最宽，电阻最小。(2)uGS<0时，沟道变窄，电阻增大，且uGS越负，沟道越窄，电阻越大。(3)uGS=UGS（off）时，沟道夹断。1.当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用u82.当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响

UGS（off）

＞uDS＞0

uDS=UGS（off）

uDS＞UGS（off）

预夹断2.当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响UGS92.当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响uDS对导电沟道的影响:1.uDS＞0，产生iD，沿沟道不等电位，沟道楔型；2.uDS的增大，iD增大，且uDS越大，漏极处沟道越窄；3.当uDS=UGS（off），沟道在D处预夹断，

iD

达到最大值。记为漏极饱和电流IDSS。4.uDS＞UGS（off）

后，

uDS继续增大，iD不再变化，预夹断点向下移动。2.当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响uDS对103.当uGS﹤0、uDS﹥0时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用(1)uGS

0，uDS

>0此时uGD=UGS(off)；

沟道楔型(2)耗尽层刚相碰时称预夹断。(3)当uDS

，预夹断点下移。uDS=uGS﹣UGS（off）

uGD=uGS-uDS=UGS（off）

3.当uGS﹤0、uDS﹥0时，栅源电压uGS对漏极电流i113.当uGS﹤0、uDS﹥0时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用(4)

uGS

加大，耗尽层变宽，导电沟道变窄，电阻变大，在同样的uDS下，iD变小；

uGS

变小，导电沟道变宽，电阻变小，iD变大。

体现了栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。3.当uGS﹤0、uDS﹥0时，栅源电压uGS对漏极电流i12①预夹断前:uDS增大，iD增大，漏源间呈现电阻特性，但uGS不同，对应的电阻不同。此时，场效应管可看成受uGS控制的可变电阻。②预夹断后:uDS增大，iD几乎不变。但是，随

uGS

增大，iD减小，iD几乎仅仅决定于uGS，而与

uDS无关。此时，可以把iD近似看成受uGS控制的电流源。综上所述①预夹断前:uDS增大，iD增大，漏源间呈现电阻特性，②133.1.3结型场效应管的伏安特性1.输出特性3.1.3结型场效应管的伏安特性1.输出特性142.转移特性UGS(off)≤uGS≤0和管子工作在恒流区的条件下2.转移特性UGS(off)≤uGS≤0和管子工作在恒流153.1.4结型场效应管的主要参数1.直流参数(1)夹断电压UGS（off）

指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值。结型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。(2)饱和漏极电流IDSS3.1.4结型场效应管的主要参数1.直流参数(1)夹16(3)直流输入电阻RGS(DC)

是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107Ω。反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO2.交流参数(1)低频跨导gm(3)直流输入电阻RGS(DC)是指漏源17(2)极间电容CGS约为1~3pF，而CGD约为0.1~1pF

3.极限参数(1)最大漏极电流IDM(2)最大漏源电压U(BR)DS(3)最大栅源电压U(BR)GS(4)最大耗散功率PDMPDM=uDSiD，受温度限制。(2)极间电容CGS约为1~3pF，而CGD约为0.1~183.2绝缘栅场效应管MOS场效应管（绝缘栅场效应管）N沟道绝缘栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管增强型耗尽型增强型耗尽型3.2绝缘栅场效应管MOS场效应管N沟道绝缘栅场效应管19一、增强型N沟道MOSFET(MentalOxideSemi—FET)1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N+区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG

—栅极Gate

D

—漏极DrainSGDB工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。3.2.1增强型MOS管一、增强型N沟道MOSFET(MentalOxid202.工作原理反型层(沟道)(1)导电沟道的形成uGS=0uGS>0且uGS>UGS(th)2.工作原理反型层(1)导电沟道的形成uGS=0uGS212.工作原理

①

当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)

当栅源间无外加电压时，由于漏源间不存在导电沟道，所以无论在漏源间加上何种极性的电压，都不会产生漏极电流。正常工作时，栅源间必须外加电压以使导电沟道产生，导电沟道产生过程如下：2.工作原理①当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背222.工作原理1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)当在栅源间外加正向电压UGS时，外加的正向电压在栅极和衬底之间的ＳiＯ2绝缘层中产生了由栅极指向衬底的电场，由于绝缘层很薄（0.1um左右），因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近ＳiＯ2一侧P型衬底中的多子（空穴）受到排斥而向体内运动，从而在表面留下不能移动的负离子，形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。

②开启电压UGS(th):开始形成反型层的栅源电压。

2.工作原理1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)232.工作原理1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)随着正向电压UGS的增大，耗尽层也随着加宽，但对于P型半导体中的少子（电子），此时则受到电场力的吸引。当UGS增大到某一值时，这些电子被吸引到P型半导体表面，使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层，鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的，故将它称为反型层。③当uGS≥UGS(th)，漏源之间形成导电沟道(反型层)2.工作原理1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)242.工作原理1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)反型层与漏源间的两个N型区相连，成为漏源间的导电沟道。这时，如果在漏源间加上电压，就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压，用UGS(th)表示。④显然，栅源电压UGS越大，作用于半导体表面的电场越强，被吸引到反型层中的电子愈多，沟道愈厚，相应的沟道电阻就愈小。2.工作原理1).栅源电压uGS的控制作用(uDS=0)25当uGS>UGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）

（a）uDS=0时，id=0。沟道等宽。（b）uDS↑→id↑；

，漏极附近的电场减弱，同时沟道靠漏区变窄。（c）当uDS增加到使uGD=UGS（th）时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。此时漏极电流iD达到最大。（d）uDS再增加，预夹断区加长，uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。2).漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS

，靠近漏极端的沟道厚度变薄。uGD=uGS-uDS〈uGS；

当uGS>UGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电26(1)输出特性可变电阻区uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD不变

uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)全夹断iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区O3.伏安特性(1)输出特性可变电阻区uDS<uGSUGS(27(2)转移特性2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)

时：uGS=2UGS(th)

时的

iD值开启电压O(2)转移特性2464uGS/ViD/mA28二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSio2绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，uGS

UGS(off)

时，全夹断。二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSio2绝缘层29输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(of30三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB313.1.3场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压UGS(off)(耗尽型)指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO3.1.3场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增32UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻RGS指漏源间短路时，栅、源间加

反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAOUGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻RGS指334.低频跨导gm反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO4.低频跨导gm反映了uGS对iD的控制能力，u34N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、特性的比较N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–35OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VOuDS/ViD/m363.2.3场效应管与晶体管的比较管子名称晶体管场效应管导电机理利用多子和少子导电利用多子导电控制方式电流控制电压控制放大能力高较低直流输入电阻小约几kΩ大JFET可达107Ω以上,MOS可达1010Ω稳定性受温度和辐射的影响较大温度稳定性好、抗辐射能力强噪声中等很小结构对称性集电极和发射极不对称，不能互换漏极和源极对称，可互换使用适用范围都可用于放大电路和开关电路等3.2.3场效应管与晶体管的比较管子名称晶体管场效应管导37

【例3-1】已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15所示，试确定场效应管的类型。UGS（th）=2V为N沟道增强型MOS管。【例3-1】已知某场效应管的转移特性曲线如图382．场效应管工作状态的判断能否导通：

(2)恒流区与可变电阻区的判断方法：

①先假设FET工作在恒流区。②由已知条件求ID和UDS。③判断2．场效应管工作状态的判断(2)恒流区与可变电阻区的判断方法39【例3-2】

电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如图3-16(b)所示，分析当uI＝3V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。

【解】UGS（th）=5VuGS＝uI

【例3-2】电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性40当uI＝3V时，uGS小于开启电压，即uGS<UGS(th)，故场效应管截止。当uI＝3V时，uGS小于开启电压，41当uI＝8V时，uGS>UGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根据输出特性可知iD≈0.6mA，则管压降uDS≈VDD﹣iDRd=12﹣0.6×3.3≈10V当uI＝8V时，uGS>UGS(th)，场42uGS﹣UGS(th)=8V﹣5V=3V，所以，uDS>uGS﹣UGS(th)，说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。因为：uDS≈10VuGS﹣UGS(th)=8V﹣5V=3V，因为：uDS≈1043当uI＝12V时，uGS>UGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区可知，当UGS=12V时iD≈4mA当uI＝12V时，uGS>UGS(th)，场效应管导通，假44则：uDS=VDD﹣iDRd=12﹣4×3.3≈﹣1.2V而电路实际的uDS>0

所以：假设不正确，实际的iD小于4mA故场效应管工作在可变电阻区。则：uDS=VDD﹣iDRd=12﹣4×3.3≈﹣1.2V45【例3-3】图3-17所示电路，已知RD=3.3k

，RG=100k，VDD=10V，VGG=2V，场效应管的UGS(off)=﹣5V，IDSS=3mA，试分析场效应管工作在什么区域。解：

UGSQ

=

﹣VGG

=2V<

UGS(off)

场效应管导通假设场效应管工作在恒流区

UGSQ﹣UGS(off)=﹣2﹣(﹣5)=3VUDSQ>UGSQ

UGS(off)

假设正确【例3-3】图3-17所示电路，已知RD=3.3k，RG463.3.2场效应管放大电路的动态分析3.3.1场效应管放大电路的直流偏置与静态分析3.3场效应管放大电路3.3.2场效应管放大电路的动态分析3.3.1场效应473.2.1场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高，噪声低，热稳定性好

1.固定偏压放大电路一、电路的组成（1）合适的偏置（2）能输入能输出+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSDRL3.2.1场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点48栅极电阻RG的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻RS的作用：提供负栅偏压漏极电阻RD的作用：把iD的变化变为uDS的变化+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSDUGS+VDDRD0C1RGRSGSDIDUDSRL2.自给偏压放大电路栅极电阻RG的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极49UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)UGS+VDDRDRGRSGSDIDUDSUGSQ

=–IDQRS二、静态分析1.估算法UDSQ=VDD–IDQ(RS+RD)UGS50例耗尽型N沟道MOS管，RG=1M

，RS

=2k，RD=12k

，VDD=20V。IDSS=4mA，UGS(off)

=–4V，求iD和uO。

iG=0

uGS=iDRS例耗尽型N沟道MOS管，RG=1M，iG51iD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2VuDS

=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)uO

=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大区iD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<522.图解法①在输出特性上作直流负载线②作负载转移特性曲线

③作输入回路的直流负载线

④交点即为静态工作点Q，Q点横坐标值为UGSQ，纵坐标值即为IDQ，再根据IDQ在输出特性曲线上求出静态工作点Q，确定UDSQ。2.图解法①在输出特性上作②作负载转移特性曲线③作输53(a)转移特性曲线(b)输出特性曲线图自给偏压电路Q点的图解(a)转移特性曲线543.2.2分压式偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ>0UGSQ=0UGSQ<0RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1一、电路组成二、静态分析3.2.2分压式偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：UGS553.2.2分压式偏压放大电路RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1二、静态分析UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)3.2.2分压式偏压放大电路RL+VDDRDC2CS+++561.场效应管的等效电路三、动态分析—场效应管电路小信号等效电路分析法1.场效应管的等效电路三、动态分析—场效应管电路小信号等效57移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率.移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处gm为低频跨导，58gm也可以由转移特性曲线的函数表达式求得，增强型MOS管：耗尽型MOS管：gm也可以由转移特性曲线的函数表达式求得，增强型MO59rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在几十千欧到几百千欧之间。rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在60从输入端口看入，相当于电阻

rgs(

)。从输出端口看入为受

ugs控制的电流源。id=gmugs小信号模型根据rgs

Sidgmugs+ugs

+uds

GDrds从输入端口看入，相当于电阻rgs()。从输出端口看入为受612.场效应管放大电路的微变等效电路RLRD+uo

+ui

GSD+ugs

gmugsidiiRG+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSDRL2.场效应管放大电路的微变等效电路RLRD++GSD+gm62RLRD+uo

+ui

GSD+ugs

gmugsidiiRG3.计算放大电路的动态指标注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路RLRD++GSD+gmugsidiiRG3.计算放大电路的63分压式偏压放大电路动态分析RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG1+ugs

gmugsidiiRL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1分压式偏压放大电路动态分析RLRD++RG2GSDRG1+g64四、改进电路目的：为了提高输入电阻有CS时：RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsidii无CS

时：RSRi、Ro不变四、改进电路目的：为了提高输入电阻有CS时：RL+VDD653.2.3共漏放大电路RL+VDDC2++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsiiioRo3.2.3共漏放大电路RL+VDDC2++C1+RG2RSG66例

已知UGS(off)=

0.8V，IDSS=0.18mA，1.求“Q”。2.求AU,Ri,RORLRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2GSDRG1RG310k

10k

200k

64k

1M

2k

5k

+24V例已知UGS(off)