模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3場效應(yīng)晶體管及其基本放大電路-chenppt課件

1、 場效應(yīng)晶體管 (Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)是電壓型 (或電場型)控制器件，利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路的電流，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而是單極型晶體管。FET具有輸入電阻高 、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成電路中。本章主要介紹FET的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及FET基本放大電路的分析方法。 本章簡介本章簡介3.1 3.1 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管3.3 3.3 場效應(yīng)晶體管放大電路場效應(yīng)晶體管放大電路3.2 3.2 絕緣柵型場效應(yīng)晶體管絕緣柵型場效應(yīng)晶體管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3.1.1 JFET3.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)

2、和工作原理1.1.構(gòu)造構(gòu)造 2. 2.工作原理工作原理3.1.2 N3.1.2 N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的特性曲線溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的特性曲線 1. 1.輸出特性輸出特性 2. 2.轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容FETFET結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFETJFETN溝道(N-JFET)N溝道(N-JFET)P溝道(P-JFET)P溝道(P-JFET)絕緣柵型效應(yīng)管絕緣柵型效應(yīng)管(MOSFET應(yīng)用最廣)(MOSFET應(yīng)用最廣)耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型N溝道(D-NMOSFET)N溝道(D-NMOSFET)P溝道(D-PMOSFET)P溝道(D-PMOSFET)N溝道(E-NMOSFET)N溝道

3、(E-NMOSFET)P溝道(E-PMOSFET)P溝道(E-PMOSFET) 場效應(yīng)管有三個極：源極s）、柵極g）、漏極d），對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。g與與s、d均均無電接觸無電接觸uGS=0,導(dǎo)電導(dǎo)電溝道已存在溝道已存在uGS=0,無導(dǎo)無導(dǎo)電溝道存在電溝道存在導(dǎo)電溝道中多數(shù)載流導(dǎo)電溝道中多數(shù)載流子為電子子為電子導(dǎo)電溝道中多數(shù)導(dǎo)電溝道中多數(shù)載流子為空穴載流子為空穴1. 結(jié)結(jié)構(gòu)與符號構(gòu)與符號a) N-JFET結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號dsg耗盡層+P+PNgdsb) P-JFET結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號dsg耗盡層+

4、N+NPgds導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道漏極漏極源極源極柵柵極極漏極漏極源極源極柵柵極極箭頭方向表示柵箭頭方向表示柵-源極接正向偏置電壓源極接正向偏置電壓時，柵極電流的方向是由時，柵極電流的方向是由P指向指向N 2. 工作原理工作原理(1) uDS=0, uGS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響 導(dǎo)電溝道已在導(dǎo)電溝道已在, 耗盡層最窄耗盡層最窄, 導(dǎo)導(dǎo)電溝道最寬。電溝道最寬。| uGS| 耗盡層耗盡層變寬變寬, 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道變窄。變窄。導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道被夾斷。被夾斷。夾斷電壓夾斷電壓UGS(off) : 導(dǎo)電溝道剛好消失時柵導(dǎo)電溝道剛好消失時柵-源極所加電源極所加電壓壓 uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。

5、為什么可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？必須加負(fù)電壓？2. 工作原理工作原理(2) 0uGS UGS(off) （為恒定值）（為恒定值）, uDS對對iD的影響的影響 uGDUGSoff）溝道中沒有任何溝道中沒有任何一處被夾斷，一處被夾斷，uDS增大，增大，iD增增大。大。uGD=UGSoff）溝道在溝道在d端被夾端被夾斷斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。uGDUGS(off)飽和漏飽和漏電流電流3.2.1 3.2.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFETMOSFET1.1.構(gòu)造構(gòu)造 2. 2.工作原理工作原理3.3.特性曲線與電流方程特性曲線與電流方程3.2.2 3.2.2 耗盡型耗盡型MOSFETMO

6、SFET 1. 1.構(gòu)造構(gòu)造 2. 2.工作原理工作原理3.3.特性曲線與電流方程特性曲線與電流方程本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容1. 結(jié)結(jié)構(gòu)與符號構(gòu)與符號漏極漏極源極源極柵柵極極dsgBb) 電路符號+N+Nsgd襯底引線BP型硅襯底2SiO絕緣層耗盡層a) 結(jié)構(gòu)示意圖圖3-5 N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)圖及符號高摻雜高摻雜虛線表示虛線表示uGS=0時，時，導(dǎo)電溝道未形成導(dǎo)電溝道未形成2. 工作原理工作原理（ （1） ） 導(dǎo)電導(dǎo)電溝道的形成溝道的形成s與與B相相連連， ，uDS=0)1） ） uGS=0, iD=0， ，導(dǎo)電導(dǎo)電溝道未形成溝道未形成2) uGS產(chǎn)生產(chǎn)生gs垂直電場垂直電場,吸引電子吸引電

7、子,排斥空穴排斥空穴,形成形成耗盡層耗盡層.因因 uGS 較小較小, 導(dǎo)電導(dǎo)電溝道未形成溝道未形成, iD=0.3) uGSUGS(th)襯底表面形襯底表面形成反型層將兩個成反型層將兩個N+區(qū)連通區(qū)連通, 導(dǎo)導(dǎo)電溝道形成電溝道形成.開啟電壓開啟電壓2. 工作原理工作原理 （ （2） ） 導(dǎo)電導(dǎo)電溝道形成后溝道形成后uDS對對iD的影響的影響 uGSUGS(th)uGDUGSth）溝道中沒有任何溝道中沒有任何一處被夾斷，一處被夾斷，uDS增大，增大，iD增增大。大。uGD=UGSth）溝道在溝道在d端被夾端被夾斷斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。uGDUGSth）夾斷區(qū)向源極延夾斷區(qū)向源極延伸伸,uDS增大增大

8、,iD幾幾乎不變乎不變,僅決定于僅決定于uGS 。3. 特性曲特性曲線線與與電電流方程流方程2GSDDOGS(th)1uiIU恒流區(qū)恒流區(qū)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特性移特性:DSGSGS(th)uuU1. 結(jié)結(jié)構(gòu)與符號構(gòu)與符號實(shí)線表示實(shí)線表示uGS=0時，時，導(dǎo)電溝道已存在導(dǎo)電溝道已存在小到一定小到一定值才夾斷值才夾斷加正離子加正離子2. 工作原理工作原理uuGSUGS(off) ,溝道完全被夾斷溝道完全被夾斷, iD=0夾斷區(qū)。夾斷區(qū)。u當(dāng)當(dāng)uGSUGS(off) 且為確定值且為確定值, uDS對對iD的影響的影響:u0uDSuGS-UGS(off)恒流區(qū)恒流區(qū), iD的趨于飽和的趨于飽和,不隨不隨uDS而變

9、而變.3. 特性曲特性曲線線與與電電流方程流方程 耗盡型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0時均可導(dǎo)通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在uGS0時仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。2GSDDSSGS(off )1uiIU恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性方程恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性方程與與JFET完全相同完全相同N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管開啟開啟電壓電壓夾斷夾斷電壓電壓DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi時的為式中在恒流區(qū)時，2GSDDSSGS(off )1uiIU恒流區(qū): DSSGSD0Iui為時的 值P溝道增強(qiáng)型溝道增

10、強(qiáng)型MOS管管dsgBP溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管dsgBPMOSFET外加的外加的uDS必須是負(fù)值，增強(qiáng)型必須是負(fù)值，增強(qiáng)型PMOSFET的開啟電壓也是負(fù)值。箭頭向外表示實(shí)際的電流方向?yàn)榈拈_啟電壓也是負(fù)值。箭頭向外表示實(shí)際的電流方向?yàn)榱鞒雎O，與通常的假定正好相反流出漏極，與通常的假定正好相反 )0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增強(qiáng)型絕緣柵型，溝道，溝道結(jié)型場效應(yīng)管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ uGS

11、0才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ uGS0才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ 1.主要參數(shù)主要參數(shù)直流參數(shù)：直流參數(shù)：GS(off )UGS(th)UDSSIGSR交流參數(shù)：交流參數(shù)：GSDSdsDContdduuriDSDmGSContuigugsCgdC 極限參數(shù)：極限參數(shù)：DMIDMP(BR)DSU(BR)GSU2.低低頻頻小信號等效小信號等效電電路模型及參數(shù)求取路模型及參數(shù)求取DGSDS,if uuDSQGSQDDDGSDSGSDSdddUUiiiuuuudmgsdsds1Ig UUrmDSSDQGS off2 (

12、D-MOSFET and JFET) gIIUmDODQGS th2 (E-MOSFET)gIIU3.3.1 3.3.1 共源放大電路共源放大電路1.1.自給偏壓共源放大電路自給偏壓共源放大電路 2. 2.分壓式偏置共源放大電路分壓式偏置共源放大電路3.3.2 3.3.2 共漏放大電路共漏放大電路 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容FET放大電路FET放大電路偏置電路偏置電路自給偏壓:適于結(jié)型和耗盡型MOSFET自給偏壓:適于結(jié)型和耗盡型MOSFET分壓式偏壓:適于所有類型MOSFET分壓式偏壓:適于所有類型MOSFET設(shè)定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)GSQUDQIDSQUG0iBJT：發(fā)射極：發(fā)射極e

13、、基極、基極b、集電極、集電極c，共射，共射CE、共集、共集CC、共基、共基CB FET：源極：源極s、 柵極柵極g、漏極、漏極d， 共源共源CS、共漏、共漏CD、共柵、共柵CG1.自自給給偏偏壓壓共源放大共源放大電電路：由路：由N-JFET構(gòu)成構(gòu)成（ （1靜靜態(tài)態(tài)分析分析G0i恒流區(qū)工作條件：恒流區(qū)工作條件：GSQGQSQDQsUUUIR 2GSQDQDSSGS(off )1UIIUDSQDDDQdsUVIRRDQIGSQU和和DSQUGS(off )GS0UuDSGSGS(off )uuUDDSSiI1.自自給給偏偏壓壓共源放大共源放大電電路路 （ （2 動態(tài)動態(tài)分析分析.mgsLoddL

14、umL.igsgs(/)g URUIRRAg RUUU iigiURRIodRRLdL/RRR 【例【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 mDSSDQGS(off )224 1 mS1mS4gIIU .umdL(/)1 55AgRR ig10MRRod1

15、0kRR2.分分壓壓式偏置共源放大式偏置共源放大電電路：路： 由由E-NMOSFET構(gòu)成構(gòu)成（ （1靜靜態(tài)態(tài)分析分析g1GQADDg1g2RUUVRR圖3-17 分壓式偏置共源放大電路及其直流通路b) 直流通路DQIDSQUg1RDDVsRdgsdRg3Rg2RGSQUAa) 共源放大電路g1RDiLR2CDDVsR1CsCdgsDidRIuDSuOug3Rg2RASQDQsUIRg1GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUVIRRR2GSQDQDOGS(th)1UIIUDSQDDDQdsUVIRR2.分分壓壓式偏置共源放大式偏置共源放大電電路路 （ （2 動態(tài)動態(tài)分析分析iig3g1g2i/

16、URRRRI.oddLumL.igs(/) UIRRAg RUUodRRmDODQGS th2 (E-MOSFET)gIIU（ （1靜靜態(tài)態(tài)分析分析g1GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUVIRRR2GSQDQDOGS(th)1UIIUDSQDDDQsUVIR（2動態(tài)分析動態(tài)分析求增益及輸入電阻求增益及輸入電阻.oodsLmLu.gsomLigsdsL(/)1(/)UUIRRg RAUUg RUUIRRiig3g1g2i/URRRRImL1 若g R.u1A輸入電阻大輸入電阻大輸入輸出電壓同輸入輸出電壓同相且近似相等相且近似相等（2動態(tài)分析動態(tài)分析求輸出電阻求輸出電阻mgsg UdILRssRgdg3Rg1RiUoU+-gsUg2Rgsgsooodmgsm1 UUURIIg Ugooossom1/URRRRIg輸出電阻小輸出電阻小【例【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)21.562mSgIIUg1RLR2CDDVsR1CdgsDiIuOu