第三章場效應(yīng)晶體管及其放大電路課件

3場效應(yīng)晶體管及其放大電路

三極管的主要特點：1.電流控制型器件。2.輸入電流大，輸入電阻小。3.兩種極型的載流子都參與導(dǎo)電，又稱為雙極型晶體管，簡稱BJT（BipolarJunctionTransistor)。3場效應(yīng)晶體管及其放大電路三極管的主要特點：1.電場效應(yīng)管，簡稱FET(FieldEffectTransistor)，其主要特點：(a)輸入電阻高，可達107~1015W。(b)起導(dǎo)電作用的是多數(shù)（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。(c)體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(d)噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。場效應(yīng)管，簡稱FET(FieldEffectTransi1.結(jié)型場效應(yīng)管，簡稱JFET(JunctionFieldEffectTransistor)場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)可分為：場效應(yīng)管的類型：2.絕緣柵型場效應(yīng)管，簡稱IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)1.結(jié)型場效應(yīng)管，簡稱JFET(JunctionFie3.1結(jié)型場效應(yīng)管

3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型

sgdP+NP+SiO2保護層N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖3.1結(jié)型場效應(yīng)管3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型NP+P+形成SiO2保護層以N型半導(dǎo)體作襯底上下各引出一個電極左右各引出一個電極兩邊個引出一個電極兩邊個引出一個電極兩邊擴散兩個高濃度的P型區(qū)NP+P+形成SiO2保護層以N型半導(dǎo)體作襯底上下各引出一個漏極D（drine)源極S（source)柵極G（gate)NP+P+N型導(dǎo)電溝道符號稱為N溝道JFET漏極D（drine)源極S（source)柵極G（gate)符號P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖PN+N+P型導(dǎo)電溝道SGD符號P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖PN+N+P型導(dǎo)電溝道SGDN溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管分3.1.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

GDS電路圖N溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管分3.1.21．uDS=0時，uGS對溝道的控制作用

a．當(dāng)uGS=0時NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0溝道無變化1．uDS=0時，uGS對溝道的控制作用a．當(dāng)uGS=0時b．UGS(off)<uGS<0NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+–+(a)PN結(jié)加寬(b)PN結(jié)主要向N區(qū)擴展(c)導(dǎo)電溝道變窄(c)導(dǎo)電溝道電阻增大b．UGS(off)<uGS<0NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGDNP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+P+(a)PN結(jié)合攏(b)導(dǎo)電溝道夾斷c．0>uGS=UGS(off)UGS(off)——柵源截止電壓或夾斷電壓–+NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+P+(a)PN結(jié)合攏當(dāng)uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示

當(dāng)uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示2．當(dāng)uGS

=0時，uDS對溝道的控制作用

NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+2．當(dāng)uGS=0時，uDS對溝道的控制作用NP+P+N型NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+a．0<uDS<|UGS(off)|(b)沿溝道有電位梯度(c)沿溝道PN結(jié)反偏電壓不同(a)漏極電流iD≠0uDS增大，iD增大。uDS(d)溝道PN結(jié)呈楔形NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+a．0<uDS<|UGSNP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+P+b．uDS=|UGS(off)|(a)iD達到最大值(b)溝道點夾斷(預(yù)夾斷)?NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+P+b．uDS=|UGSc．uDS>|UGS(off)|(a)

iD達到最大值幾乎不隨uDS的增大而變化NP+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+–+(b)溝道夾斷區(qū)延長c．uDS>|UGS(off)|(a)iD達到最大值NP+當(dāng)uGS

=0時，uDS對溝道的控制作用動畫演示

當(dāng)uGS=0時，uDS對溝道的控制作用動畫演示3．當(dāng)uDS

≥0時，uGS(≤0）對溝道的控制作用

a.uDS和uGS將一起改變溝道的寬度NP+N型導(dǎo)電溝道SGDP+–++–c.當(dāng)uDG=|UGS(off)|時，溝道出現(xiàn)予夾斷。此時，uDS=|UGS(off)|+uGSb.PN結(jié)在漏極端的反偏電壓最大。uDG=uDS-uGS3．當(dāng)uDS≥0時，uGS(≤0）對溝道的控制作用a.uDS、uGS共同對溝道的控制作用動畫演示

uDS、uGS共同對溝道的控制作用動畫演示（1）JFET是利用uGS

所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的大小，（2）場效應(yīng)管為一個電壓控制型的器件。（3）在N溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為負值。小結(jié)：在P溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為正值。即利用電場效應(yīng)控制溝道中流通的電流大小，因而稱為場效應(yīng)管。（1）JFET是利用uGS所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的3.1.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性

在正常情況下，iG=0，管子無輸入特性。++––3.1.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性在正常情況下，iG=1．輸出特性（漏極特性）

++––特性曲線24061020可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)1．輸出特性（漏極特性）++––特性曲線240610224061020可變電阻區(qū)(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚未夾斷b.uDS＜|UGS(off)|+uGSc.管子相當(dāng)于受uGS控制的壓控電阻各區(qū)的特點：24061020可(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚放大區(qū)(2)放大區(qū)放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、恒流區(qū)。b.uDS|UGS(off)|+uGSa.

溝道予夾斷c.iD幾乎與uDS無關(guān)。d.

iD只受uGS的控制。24061020放大區(qū)(2)放大區(qū)放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、恒流區(qū)。b.uDS截止區(qū)a.uGS＜UGS(off)

(3)截止區(qū)b.溝道完全夾斷c.

iD≈024061020截止區(qū)a.uGS＜UGS(off) (3)截止區(qū)b.溝2．轉(zhuǎn)移特性表示場效應(yīng)管的uGS對iD的控制特性。定義轉(zhuǎn)移特性曲線可由輸出特性曲線得到2．轉(zhuǎn)移特性表示場效應(yīng)管的uGS對iD的控制特性。定義轉(zhuǎn)移特????（1）對于不同的uDS，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線不同。曲線特點：（2）當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時，轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合。??????（1）對于不同的uDS，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線不同。當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時稱為零偏漏極電流當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時稱為零偏漏極電流3.1.4結(jié)型場效應(yīng)管的主要電參數(shù)

1．直流參數(shù)

(3)直流輸入電阻RGS

(1)夾斷電壓UGS(off)

(2)零偏漏極電流IDSS（也稱為漏極飽和電流）3.1.4結(jié)型場效應(yīng)管的主要電參數(shù)1．直流參數(shù)(2．交流參數(shù)

(1)跨導(dǎo)gm也稱為互導(dǎo)。其定義為：

當(dāng)管子工作在放大區(qū)時得管子的跨導(dǎo)由2．交流參數(shù)(1)跨導(dǎo)gm也稱為互導(dǎo)。其定義為：可見，gm與IDQ有關(guān)。IDQ越大，gm也就越大。

可見，gm與IDQ有關(guān)。IDQ越大，gm也就越大。3.極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDSM

(2)最大漏極電流IDSM

(2)極間電容柵源電容Cgs柵漏電容Cgd漏源電容Cds

(3)柵源擊穿電壓U（BR）GS(4)漏源擊穿電壓U（BR）DS3.極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDSM(2例在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個區(qū)？（b）（c）（a）GDS解（a）因為uGS<UGS(off),管子工作在截止區(qū)。例在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的（b）因管子工作在放大區(qū)。

（c）因這時的管子工作在可變電阻區(qū)。

GDS（b）因管子工作在放大區(qū)。（c）因這時的管子工作在可變電阻3.2絕緣柵型場效應(yīng)管

N溝道IGFET耗盡型增強型P溝道N溝道P溝道絕緣柵型場效應(yīng)管的類別

3.2絕緣柵型場效應(yīng)管N溝道IGFET耗盡型增強型P3.2.1增強型絕緣柵場效應(yīng)管

1.結(jié)構(gòu)示意圖gsdN+N+SiO2保護層AlbP3.2.1增強型絕緣柵場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)示意圖gsdNPN+SGDN+以P型半導(dǎo)體作襯底形成兩個PN結(jié)SiO2保護層引出兩個電極引出兩個電極引出柵極Al從襯底引出電極兩邊擴散兩個高濃度的N區(qū)PN+SGDN+以P型半導(dǎo)體作襯底形成兩個PN結(jié)SiO2保護PN+SGDN+SiO2保護層Al故又稱為MOS管管子組成：a.金屬（Metal)b.氧化物(Oxide)c.半導(dǎo)體(Semiconductor)PN+SGDN+SiO2保護層Al故又稱為MOS管管子組成：2.工作原理

電路連接圖PN+SGDN+–++–2.工作原理電路連接圖PN+SGDN+–++–(1)

uGS

=0,uDS≠0源極和漏極之間始終有一個PN結(jié)反偏，iD=0PN+SGN+iD=0D–++–(1)uGS=0,uDS≠0源極和漏極之間始終有一個PPN+SGN+iD=0D–++–2．uGS

>0,uDS

=0產(chǎn)生垂直向下的電場PN+SGN+iD=0D–++–2．uGS>0,uDSPN+SGN+iD=0D–++–電場排斥空穴形成耗盡層吸引電子PN+SGN+iD=0D–++–電場排斥空穴形成耗盡層吸引電PN+SGN+iD=0D–++–形成導(dǎo)電溝道當(dāng)uGS

=UGS(th)時出現(xiàn)反型層PN+SGN+iD=0D–++–形成導(dǎo)電溝道當(dāng)uGS=UGPN+SGN+iD=0D–++–UGS(th)—開啟電壓N溝道增強型MOS管，簡稱NMOSN溝道PN+SGN+iD=0D–++–UGS(th)—開啟電壓N溝PN+SGN+iD>0D–++–3．當(dāng)uGS

>UGS(th）,uDS>0時.uDS(b)沿溝道有電位梯度(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–3．當(dāng)uGS>UGS(tPN+SGN+iD>0D–++–uDS(b)沿溝道有電位梯度3．當(dāng)uGS

>UGS(th）,uDS>0時.(c)不同點的電場強度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(b)沿溝道有電位梯PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形(b)沿溝道有電位梯度3．當(dāng)uGS

>UGS(th）,uDS>0時.(c)不同點的電場強度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形a.uDS升高溝道變窄PN+SGN+iD>0D–++–uDS反型層變窄a.uDS升高溝道變窄PN+SGN+iD>0D–++–ub.當(dāng)uGD

=uGS-uDS=UGS(th）時PN+SGN+iD>0D–++–uDS溝道在漏極端夾斷(b)管子預(yù)夾斷(a)iD達到最大值b.當(dāng)uGD=uGS-uDS=UGS(th）時PN+SGc.當(dāng)uDS進一步增大(a)iD達到最大值且恒定PN+SGN+iD>0D–++–uDSPN+SGN+D–++–uDS溝道夾斷區(qū)延長(b)管子進入恒流區(qū)c.當(dāng)uDS進一步增大(a)iD達到最大值且恒定PN+增強型NMOS管工作原理動畫演示增強型NMOS管工作原理動畫演示2．伏安特性與參數(shù)

a．輸出特性可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線240610202．伏安特性與參數(shù)a．輸出特性可放大區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線2(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚未夾斷b.uDS＜uGS-|UGS(th)|c.管子相當(dāng)于受uGS控制的壓控電阻各區(qū)的特點：可變電阻區(qū)24061020(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚未夾斷b.uDS(2)放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū))a.

溝道予夾斷c.iD幾乎與uDS無關(guān)d.

iD只受uGS的控制b.uDS>uGS-|UGS(th)|放大區(qū)24061020(2)放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū))a.溝道予夾斷c.iD幾截止區(qū)a.uGS＜UGS(th)

(3)截止區(qū)b.溝道完全夾斷c.

iD=024061020截止區(qū)a.uGS＜UGS(th) (3)截止區(qū)b.溝道完管子工作于放大區(qū)時函數(shù)表達式b．轉(zhuǎn)移特性曲線

式中，K為與管子有關(guān)的參數(shù)0轉(zhuǎn)移特性曲線管子工作于放大區(qū)時函數(shù)表達式b．轉(zhuǎn)移特性曲線式中，K為與管例圖示為某一增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性。試求其相應(yīng)的常數(shù)K值。解

由圖可知，該管的UGS（th）=2V當(dāng)UGS=8V時，ID=2mA故0246812例圖示為某一增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性。試求其相應(yīng)的常數(shù)3.2.2耗盡型MOS管

1.

MOS管結(jié)構(gòu)示意圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導(dǎo)電溝道）反型層P3.2.2耗盡型MOS管1.MOS管結(jié)構(gòu)示意圖sgd絕緣層中滲入了正離子PN+SGDN+出現(xiàn)反型層形成導(dǎo)電溝道絕緣層中滲入了正離子PN+SGDN+出現(xiàn)反型導(dǎo)電溝道增寬a.導(dǎo)電溝道變窄b.耗盡型MOS管可以在uGS為正或負下工作。PN+SGDN++–導(dǎo)電溝道增寬a.導(dǎo)電溝道變窄b.耗盡型MOS管可以在uGS為2．伏安特性與參數(shù)

24061020可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)a．輸出特性曲線

2．伏安特性與參數(shù)24061020可放大區(qū)截止區(qū)a．輸出特b．轉(zhuǎn)移特性曲線函數(shù)表達式轉(zhuǎn)移特性曲線0工作于放大區(qū)時b．轉(zhuǎn)移特性曲線函數(shù)表達式轉(zhuǎn)移特性曲線0工作于放大區(qū)時增強型與耗盡型管子的區(qū)別：耗盡型：增強型：當(dāng)時，當(dāng)時，增強型與耗盡型管子的區(qū)別：耗盡型：增強型：當(dāng)MOSFET符號增強型耗盡型GSDSGDP溝道GSDN溝道GSDMOSFET符號增強型耗盡型GSDSGDP溝道GSDN溝道GJFET符號N溝道P溝道JFET符號N溝道P溝道場效應(yīng)管的特點（與雙極型三極管比較）（1）場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，即通過uGS來控制iD；雙極型三極管是一種電流控制器件，即通過iB來控制iC（2）場效應(yīng)管的輸入端電流幾乎為零，輸入電阻非常高。雙極型三極管的發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，有一定的輸入電流，基極與發(fā)射極間的輸入電阻較小。場效應(yīng)管的特點（與雙極型三極管比較）（1）場效應(yīng)管是一種電壓（4）場效應(yīng)管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱穩(wěn)定性較好，且存在零溫度系數(shù)工作點。（3）場效應(yīng)管是利用多數(shù)（一種極性）載流子導(dǎo)電的。在雙極型三極管中二種極性的載流子（電子和空穴）同時參與了導(dǎo)電。（5）場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱，有時（除了源極和襯底在制造時已連在一起的MOS管）漏極和源極可以互換使用，且各項指標(biāo)基本不受影響，使用方便、靈活。（4）場效應(yīng)管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱穩(wěn)定性較好，且存（6）場效應(yīng)管制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。每個MOS場效應(yīng)管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管5%。（7）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)小，當(dāng)組成放大電路時，在相同的負載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。（8）由于MOS管的輸入電阻高，由外界感應(yīng)產(chǎn)生的電荷不易泄露，而柵極上的絕緣層又很薄，這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強度，以致引起絕緣層的擊穿而損壞管子。（6）場效應(yīng)管制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。每個MOS場效2.絕緣柵場效應(yīng)管的柵極為什么不能開路？思考題1.試比較三極管和場效應(yīng)管的異同點。2.絕緣柵場效應(yīng)管的柵極為什么不能開路？思考題1.試3.3場效應(yīng)管放大電路3.3.1場效應(yīng)管的偏置及其電路的靜態(tài)分析1．自給偏壓場效應(yīng)管常用的偏置方式自給偏壓分壓式偏置IDQUSQ=

IDQRSUGSQ=

-IDQRS(1)電路(2)自給偏壓原理+_+_3.3場效應(yīng)管放大電路3.3.1場效應(yīng)管的偏置及其電(3)靜態(tài)分析a.方法一：圖解法(a)列寫輸出回路方程(c)作圖(b)列寫輸入回路方程+_+_(3)靜態(tài)分析a.方法一：圖解法(a)列寫輸出回路方abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作輸出回路直流負載線作控制特性作輸入回路直流負載線abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作輸出b.方法二：估算法輸入回路方程當(dāng)管子工作于放大區(qū)時兩式聯(lián)立可求得IDQ由此可得+_+_b.方法二：估算法輸入回路方程當(dāng)管子工作于放大區(qū)時兩式聯(lián)例在圖示電路其中，VDD=18V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ，F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS(off)=－8V。試求UGSQ、IDQ和UDSQ。UGSQ=－2.9V得IDQ=2.9mA解由+_+_例在圖示電路其中，VDD=18V、RD=3kΩ、RS=12．分壓式偏置圖中(1)電路(2)靜態(tài)分析+_+_+__+2．分壓式偏置圖中(1)電路(2)靜態(tài)分析+_+_+__故分壓式偏置:增強型、耗盡型兩種偏置電路適用的FET：自給偏壓：耗盡型+_+_+__+故分壓式偏置:增強型、耗盡型兩種偏置電路適用的FET：自給3．信號的輸入和輸出常用的耦合方式阻容耦合變壓器耦合直接耦合一種典型的阻容耦合共源極放大電路+_+++_+?3．信號的輸入和輸出常用的耦合方式阻容耦合變壓器耦合直接耦合3.3.2場效應(yīng)管的微變等效電路由場效應(yīng)管工作原理知：iD=f(uGS、uDS)iG=

0對iD全微分

FET3.3.2場效應(yīng)管的微變等效電路由場效應(yīng)管工作原理知：為跨導(dǎo)式中rds為FET共源極輸出電阻故

為跨導(dǎo)式中rds為FET共源極輸出電阻故或者微變等效電路簡化的微變等效電路或者微變等效電路簡化的微變等效電路FET的高頻模型FET的高頻模型3.3.3場效應(yīng)管組成的三種基本放大電路1．共源極放大電路+_+++_+微變等效電路?3.3.3場效應(yīng)管組成的三種基本放大電路1．共源極放大由圖可知····故·····式中a.求電壓放大倍數(shù)?由圖可知····故·····式中a.求電壓放大倍數(shù)?由圖可知b.求輸入電阻Ri?由圖可知b.求輸入電阻Ri?根據(jù)輸出電阻的定義：由圖可知畫出求輸出電阻的等效電路?c.求輸出電阻Ro?根據(jù)輸出電阻的定義：由圖可知畫出求輸出電阻的等效電路?c.2.共漏極放大電路_++++?_微變等效電路?2.共漏極放大電路_++++?_微變等效電路?由圖可知··故···式中···a.求電壓放大倍數(shù)?···由圖可知··故···式中···a.求電壓放大倍數(shù)?···輸入電阻?b.求輸入電阻Ri輸入電阻?b.求輸入電阻Ri?c.求輸出電阻Ro求Ro的等效電路??c.求輸出電阻Ro求Ro的等效電路?由圖可知故電路的輸出電阻?由圖可知故電路的輸出電阻?3.共柵極放大電路+_T+_+++3.共柵極放大電路+_T+_+++微變等效電路+__+gsd_++_T+_+++微變等效電路+__+gsd_++_T+_+++由圖可知·······a.求電壓放大倍數(shù)+__+gsd_+由圖可知·······a.求電壓放大倍數(shù)+__+gsd_+故由于+__+gsd_+b.求輸入電阻Ri故由于+__+gsd_+b.求輸入電阻Ri故c.求輸出電阻Ro畫出求Ro的等效電路+__+gsd_++__+gsd_+故c.求輸出電阻Ro畫出求Ro的等效電路+__+gsd_+1.比較共源極場效應(yīng)管放大電路和共發(fā)射極晶體管放大電路，在電路結(jié)構(gòu)上有何相似之處？為什么前者的輸入電阻較高？2.為什么增強型絕緣柵場效應(yīng)管放大電路無法采用自給偏置？思考題1.比較共源極場效應(yīng)管放大電路和共發(fā)射極晶體管放大電路，在例1在圖示電路中:（1）如果電路輸入、輸出電壓的波形分別如圖(a)、(b)所示。試問該電路的靜態(tài)工作點可能處于或靠近哪個區(qū)？（2）已知T工作于放大區(qū)及IDQ，RG1和RG2，求RS。（3）在線性放大條件下，寫出電路的Au、Ri及Ro的表達式。

ouiuo3po2ppwt3p2ppwt(a)(b)練習(xí)題?RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-例1在圖示電路中:ouiuo3po2ppwt3p2pp解：由圖可知，該電路是一由N型溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的共源極放大電路。（1）由于電路的輸出波形負半周出現(xiàn)了失真，故該電路的靜態(tài)工作點Q靠近可變電阻。ouiuo3po2ppwt3p2ppwt(a)(b)?RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-解：由圖可知，該電路是一由N型溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的將以上兩式聯(lián)立求解得：（2）已知T工作于放大區(qū)IDQ=k[UGSQ-UGS(th)]2故而?RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-將以上兩式聯(lián)立求解得：（2）已知T工作于放大區(qū)IDQ=k[（3）微變等效電路?·?RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-（3）微變等效電路?·?RG2T+VDDRSRGRLC2uo例2電路如圖所示，已知T1的gm和T2的、rbe。試寫出電壓放大倍數(shù)Au

的表達式。

·解該電路是場效應(yīng)管和晶體管組成的放大器。畫出該電路的微變等效電路。T1+VCCRGuo+ui+C1RCT2C2++--?例2電路如圖所示，已知T1的gm和T2的、rbe。試寫微變等效電路T1+VCCRGuo+ui+C1RCT2C2++--?RCRGuouiugsgmugssgdrbeibib+–?+–+–微變等效電路T1+VCCRGuo+ui+C1RCT2C2++由圖可知故電壓放大倍數(shù)···········RCRGuouiugsgmugssgdrbeibib+–?+–+–由圖可知故電壓放大倍數(shù)···········RCRGuoui3場效應(yīng)晶體管及其放大電路

三極管的主要特點：1.電流控制型器件。2.輸入電流大，輸入電阻小。3.兩種極型的載流子都參與導(dǎo)電，又稱為雙極型晶體管，簡稱BJT（BipolarJunctionTransistor)。3場效應(yīng)晶體管及其放大電路三極管的主要特點：1.電場效應(yīng)管，簡稱FET(FieldEffectTransistor)，其主要特點：(a)輸入電阻高，可達107~1015W。(b)起導(dǎo)電作用的是多數(shù)（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。(c)體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(d)噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。場效應(yīng)管，簡稱FET(FieldEffectTransi1.結(jié)型場效應(yīng)管，簡稱JFET(JunctionFieldEffectTransistor)場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)可分為：場效應(yīng)管的類型：2.絕緣柵型場效應(yīng)管，簡稱IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)1.結(jié)型場效應(yīng)管，簡稱JFET(JunctionFie3.1結(jié)型場效應(yīng)管

3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型

sgdP+NP+SiO2保護層N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖3.1結(jié)型場效應(yīng)管3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和類型NP+P+形成SiO2保護層以N型半導(dǎo)體作襯底上下各引出一個電極左右各引出一個電極兩邊個引出一個電極兩邊個引出一個電極兩邊擴散兩個高濃度的P型區(qū)NP+P+形成SiO2保護層以N型半導(dǎo)體作襯底上下各引出一個漏極D（drine)源極S（source)柵極G（gate)NP+P+N型導(dǎo)電溝道符號稱為N溝道JFET漏極D（drine)源極S（source)柵極G（gate)符號P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖PN+N+P型導(dǎo)電溝道SGD符號P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖PN+N+P型導(dǎo)電溝道SGDN溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管分3.1.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

GDS電路圖N溝道結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管分3.1.21．uDS=0時，uGS對溝道的控制作用

a．當(dāng)uGS=0時NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0溝道無變化1．uDS=0時，uGS對溝道的控制作用a．當(dāng)uGS=0時b．UGS(off)<uGS<0NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+–+(a)PN結(jié)加寬(b)PN結(jié)主要向N區(qū)擴展(c)導(dǎo)電溝道變窄(c)導(dǎo)電溝道電阻增大b．UGS(off)<uGS<0NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGDNP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+P+(a)PN結(jié)合攏(b)導(dǎo)電溝道夾斷c．0>uGS=UGS(off)UGS(off)——柵源截止電壓或夾斷電壓–+NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+P+(a)PN結(jié)合攏當(dāng)uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示

當(dāng)uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示2．當(dāng)uGS

=0時，uDS對溝道的控制作用

NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+2．當(dāng)uGS=0時，uDS對溝道的控制作用NP+P+N型NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+a．0<uDS<|UGS(off)|(b)沿溝道有電位梯度(c)沿溝道PN結(jié)反偏電壓不同(a)漏極電流iD≠0uDS增大，iD增大。uDS(d)溝道PN結(jié)呈楔形NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+a．0<uDS<|UGSNP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+P+b．uDS=|UGS(off)|(a)iD達到最大值(b)溝道點夾斷(預(yù)夾斷)?NP+P+N型導(dǎo)電溝道SGD=0–+P+b．uDS=|UGSc．uDS>|UGS(off)|(a)

iD達到最大值幾乎不隨uDS的增大而變化NP+N型導(dǎo)電溝道SGD=0P+–+(b)溝道夾斷區(qū)延長c．uDS>|UGS(off)|(a)iD達到最大值NP+當(dāng)uGS

=0時，uDS對溝道的控制作用動畫演示

當(dāng)uGS=0時，uDS對溝道的控制作用動畫演示3．當(dāng)uDS

≥0時，uGS(≤0）對溝道的控制作用

a.uDS和uGS將一起改變溝道的寬度NP+N型導(dǎo)電溝道SGDP+–++–c.當(dāng)uDG=|UGS(off)|時，溝道出現(xiàn)予夾斷。此時，uDS=|UGS(off)|+uGSb.PN結(jié)在漏極端的反偏電壓最大。uDG=uDS-uGS3．當(dāng)uDS≥0時，uGS(≤0）對溝道的控制作用a.uDS、uGS共同對溝道的控制作用動畫演示

uDS、uGS共同對溝道的控制作用動畫演示（1）JFET是利用uGS

所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的大小，（2）場效應(yīng)管為一個電壓控制型的器件。（3）在N溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為負值。小結(jié)：在P溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為正值。即利用電場效應(yīng)控制溝道中流通的電流大小，因而稱為場效應(yīng)管。（1）JFET是利用uGS所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的3.1.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性

在正常情況下，iG=0，管子無輸入特性。++––3.1.3結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性在正常情況下，iG=1．輸出特性（漏極特性）

++––特性曲線24061020可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)1．輸出特性（漏極特性）++––特性曲線240610224061020可變電阻區(qū)(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚未夾斷b.uDS＜|UGS(off)|+uGSc.管子相當(dāng)于受uGS控制的壓控電阻各區(qū)的特點：24061020可(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚放大區(qū)(2)放大區(qū)放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、恒流區(qū)。b.uDS|UGS(off)|+uGSa.

溝道予夾斷c.iD幾乎與uDS無關(guān)。d.

iD只受uGS的控制。24061020放大區(qū)(2)放大區(qū)放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、恒流區(qū)。b.uDS截止區(qū)a.uGS＜UGS(off)

(3)截止區(qū)b.溝道完全夾斷c.

iD≈024061020截止區(qū)a.uGS＜UGS(off) (3)截止區(qū)b.溝2．轉(zhuǎn)移特性表示場效應(yīng)管的uGS對iD的控制特性。定義轉(zhuǎn)移特性曲線可由輸出特性曲線得到2．轉(zhuǎn)移特性表示場效應(yīng)管的uGS對iD的控制特性。定義轉(zhuǎn)移特????（1）對于不同的uDS，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線不同。曲線特點：（2）當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時，轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合。??????（1）對于不同的uDS，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線不同。當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時稱為零偏漏極電流當(dāng)管子工作于恒流區(qū)時稱為零偏漏極電流3.1.4結(jié)型場效應(yīng)管的主要電參數(shù)

1．直流參數(shù)

(3)直流輸入電阻RGS

(1)夾斷電壓UGS(off)

(2)零偏漏極電流IDSS（也稱為漏極飽和電流）3.1.4結(jié)型場效應(yīng)管的主要電參數(shù)1．直流參數(shù)(2．交流參數(shù)

(1)跨導(dǎo)gm也稱為互導(dǎo)。其定義為：

當(dāng)管子工作在放大區(qū)時得管子的跨導(dǎo)由2．交流參數(shù)(1)跨導(dǎo)gm也稱為互導(dǎo)。其定義為：可見，gm與IDQ有關(guān)。IDQ越大，gm也就越大。

可見，gm與IDQ有關(guān)。IDQ越大，gm也就越大。3.極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDSM

(2)最大漏極電流IDSM

(2)極間電容柵源電容Cgs柵漏電容Cgd漏源電容Cds

(3)柵源擊穿電壓U（BR）GS(4)漏源擊穿電壓U（BR）DS3.極限參數(shù)(1)漏極最大允許耗散功率PDSM(2例在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個區(qū)？（b）（c）（a）GDS解（a）因為uGS<UGS(off),管子工作在截止區(qū)。例在圖示電路中，已知場效應(yīng)管的（b）因管子工作在放大區(qū)。

（c）因這時的管子工作在可變電阻區(qū)。

GDS（b）因管子工作在放大區(qū)。（c）因這時的管子工作在可變電阻3.2絕緣柵型場效應(yīng)管

N溝道IGFET耗盡型增強型P溝道N溝道P溝道絕緣柵型場效應(yīng)管的類別

3.2絕緣柵型場效應(yīng)管N溝道IGFET耗盡型增強型P3.2.1增強型絕緣柵場效應(yīng)管

1.結(jié)構(gòu)示意圖gsdN+N+SiO2保護層AlbP3.2.1增強型絕緣柵場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)示意圖gsdNPN+SGDN+以P型半導(dǎo)體作襯底形成兩個PN結(jié)SiO2保護層引出兩個電極引出兩個電極引出柵極Al從襯底引出電極兩邊擴散兩個高濃度的N區(qū)PN+SGDN+以P型半導(dǎo)體作襯底形成兩個PN結(jié)SiO2保護PN+SGDN+SiO2保護層Al故又稱為MOS管管子組成：a.金屬（Metal)b.氧化物(Oxide)c.半導(dǎo)體(Semiconductor)PN+SGDN+SiO2保護層Al故又稱為MOS管管子組成：2.工作原理

電路連接圖PN+SGDN+–++–2.工作原理電路連接圖PN+SGDN+–++–(1)

uGS

=0,uDS≠0源極和漏極之間始終有一個PN結(jié)反偏，iD=0PN+SGN+iD=0D–++–(1)uGS=0,uDS≠0源極和漏極之間始終有一個PPN+SGN+iD=0D–++–2．uGS

>0,uDS

=0產(chǎn)生垂直向下的電場PN+SGN+iD=0D–++–2．uGS>0,uDSPN+SGN+iD=0D–++–電場排斥空穴形成耗盡層吸引電子PN+SGN+iD=0D–++–電場排斥空穴形成耗盡層吸引電PN+SGN+iD=0D–++–形成導(dǎo)電溝道當(dāng)uGS

=UGS(th)時出現(xiàn)反型層PN+SGN+iD=0D–++–形成導(dǎo)電溝道當(dāng)uGS=UGPN+SGN+iD=0D–++–UGS(th)—開啟電壓N溝道增強型MOS管，簡稱NMOSN溝道PN+SGN+iD=0D–++–UGS(th)—開啟電壓N溝PN+SGN+iD>0D–++–3．當(dāng)uGS

>UGS(th）,uDS>0時.uDS(b)沿溝道有電位梯度(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–3．當(dāng)uGS>UGS(tPN+SGN+iD>0D–++–uDS(b)沿溝道有電位梯度3．當(dāng)uGS

>UGS(th）,uDS>0時.(c)不同點的電場強度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(b)沿溝道有電位梯PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形(b)沿溝道有電位梯度3．當(dāng)uGS

>UGS(th）,uDS>0時.(c)不同點的電場強度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形a.uDS升高溝道變窄PN+SGN+iD>0D–++–uDS反型層變窄a.uDS升高溝道變窄PN+SGN+iD>0D–++–ub.當(dāng)uGD

=uGS-uDS=UGS(th）時PN+SGN+iD>0D–++–uDS溝道在漏極端夾斷(b)管子預(yù)夾斷(a)iD達到最大值b.當(dāng)uGD=uGS-uDS=UGS(th）時PN+SGc.當(dāng)uDS進一步增大(a)iD達到最大值且恒定PN+SGN+iD>0D–++–uDSPN+SGN+D–++–uDS溝道夾斷區(qū)延長(b)管子進入恒流區(qū)c.當(dāng)uDS進一步增大(a)iD達到最大值且恒定PN+增強型NMOS管工作原理動畫演示增強型NMOS管工作原理動畫演示2．伏安特性與參數(shù)

a．輸出特性可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線240610202．伏安特性與參數(shù)a．輸出特性可放大區(qū)截止區(qū)輸出特性曲線2(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚未夾斷b.uDS＜uGS-|UGS(th)|c.管子相當(dāng)于受uGS控制的壓控電阻各區(qū)的特點：可變電阻區(qū)24061020(1)可變電阻區(qū)a.uDS較小，溝道尚未夾斷b.uDS(2)放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū))a.

溝道予夾斷c.iD幾乎與uDS無關(guān)d.

iD只受uGS的控制b.uDS>uGS-|UGS(th)|放大區(qū)24061020(2)放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū))a.溝道予夾斷c.iD幾截止區(qū)a.uGS＜UGS(th)

(3)截止區(qū)b.溝道完全夾斷c.

iD=024061020截止區(qū)a.uGS＜UGS(th) (3)截止區(qū)b.溝道完管子工作于放大區(qū)時函數(shù)表達式b．轉(zhuǎn)移特性曲線

式中，K為與管子有關(guān)的參數(shù)0轉(zhuǎn)移特性曲線管子工作于放大區(qū)時函數(shù)表達式b．轉(zhuǎn)移特性曲線式中，K為與管例圖示為某一增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性。試求其相應(yīng)的常數(shù)K值。解

由圖可知，該管的UGS（th）=2V當(dāng)UGS=8V時，ID=2mA故0246812例圖示為某一增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性。試求其相應(yīng)的常數(shù)3.2.2耗盡型MOS管

1.

MOS管結(jié)構(gòu)示意圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導(dǎo)電溝道）反型層P3.2.2耗盡型MOS管1.MOS管結(jié)構(gòu)示意圖sgd絕緣層中滲入了正離子PN+SGDN+出現(xiàn)反型層形成導(dǎo)電溝道絕緣層中滲入了正離子PN+SGDN+出現(xiàn)反型導(dǎo)電溝道增寬a.導(dǎo)電溝道變窄b.耗盡型MOS管可以在uGS為正或負下工作。PN+SGDN++–導(dǎo)電溝道增寬a.導(dǎo)電溝道變窄b.耗盡型MOS管可以在uGS為2．伏安特性與參數(shù)

24061020可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)a．輸出特性曲線

2．伏安特性與參數(shù)24061020可放大區(qū)截止區(qū)a．輸出特b．轉(zhuǎn)移特性曲線函數(shù)表達式轉(zhuǎn)移特性曲線0工作于放大區(qū)時b．轉(zhuǎn)移特性曲線函數(shù)表達式轉(zhuǎn)移特性曲線0工作于放大區(qū)時增強型與耗盡型管子的區(qū)別：耗盡型：增強型：當(dāng)時，當(dāng)時，增強型與耗盡型管子的區(qū)別：耗盡型：增強型：當(dāng)MOSFET符號增強型耗盡型GSDSGDP溝道GSDN溝道GSDMOSFET符號增強型耗盡型GSDSGDP溝道GSDN溝道GJFET符號N溝道P溝道JFET符號N溝道P溝道場效應(yīng)管的特點（與雙極型三極管比較）（1）場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，即通過uGS來控制iD；雙極型三極管是一種電流控制器件，即通過iB來控制iC（2）場效應(yīng)管的輸入端電流幾乎為零，輸入電阻非常高。雙極型三極管的發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，有一定的輸入電流，基極與發(fā)射極間的輸入電阻較小。場效應(yīng)管的特點（與雙極型三極管比較）（1）場效應(yīng)管是一種電壓（4）場效應(yīng)管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱穩(wěn)定性較好，且存在零溫度系數(shù)工作點。（3）場效應(yīng)管是利用多數(shù)（一種極性）載流子導(dǎo)電的。在雙極型三極管中二種極性的載流子（電子和空穴）同時參與了導(dǎo)電。（5）場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱，有時（除了源極和襯底在制造時已連在一起的MOS管）漏極和源極可以互換使用，且各項指標(biāo)基本不受影響，使用方便、靈活。（4）場效應(yīng)管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱穩(wěn)定性較好，且存（6）場效應(yīng)管制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。每個MOS場效應(yīng)管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管5%。（7）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)小，當(dāng)組成放大電路時，在相同的負載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。（8）由于MOS管的輸入電阻高，由外界感應(yīng)產(chǎn)生的電荷不易泄露，而柵極上的絕緣層又很薄，這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強度，以致引起絕緣層的擊穿而損壞管子。（6）場效應(yīng)管制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。每個MOS場效2.絕緣柵場效應(yīng)管的柵極為什么不能開路？思考題1.試比較三極管和場效應(yīng)管的異同點。2.絕緣柵場效應(yīng)管的柵極為什么不能開路？思考題1.試3.3場效應(yīng)管放大電路3.3.1場效應(yīng)管的偏置及其電路的靜態(tài)分析1．自給偏壓場效應(yīng)管常用的偏置方式自給偏壓分壓式偏置IDQUSQ=

IDQRSUGSQ=

-IDQRS(1)電路(2)自給偏壓原理+_+_3.3場效應(yīng)管放大電路3.3.1場效應(yīng)管的偏置及其電(3)靜態(tài)分析a.方法一：圖解法(a)列寫輸出回路方程(c)作圖(b)列寫輸入回路方程+_+_(3)靜態(tài)分析a.方法一：圖解法(a)列寫輸出回路方abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作輸出回路直流負載線作控制特性作輸入回路直流負載線abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作輸出b.方法二：估算法輸入回路方程當(dāng)管子工作于放大區(qū)時兩式聯(lián)立可求得IDQ由此可得+_+_b.方法二：估算法輸入回路方程當(dāng)管子工作于放大區(qū)時兩式聯(lián)例在圖示電路其中，VDD=18V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ，F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS(off)=－8V。試求UGSQ、IDQ和UDSQ。UGSQ=－2.9V得IDQ=2.9mA解由+_+_例在圖示電路其中，VDD=18V、RD=3kΩ、RS=12．分壓式偏置圖中(1)電路(2)靜態(tài)分析+_+_+__+2．分壓式偏置圖中(1)電路(2)靜態(tài)分析+_+_+__故分壓式偏置:增強型、耗盡型兩種偏置電路適用的FET：自給偏壓：耗盡型+_+_+__+故分壓式偏置:增強型、耗盡型兩種偏置電路適用的FET：自給3．信號的輸入和輸出常用的耦合方式阻容耦合變壓器耦合直接耦合一種典型的阻容耦合共源極放大電路+_+++_+?3．信號的輸入和輸出常用的耦合方式阻容耦合變壓器耦合直接耦合3.3.2場效應(yīng)管的微變等效電路由場效應(yīng)管工作原理知：iD=f(uGS、uDS)iG=

0對iD全微分

FET3.3.2場效應(yīng)管的微變等效電路由場效應(yīng)管工作原理知：為跨導(dǎo)式中rds為FET共源極輸出電阻故

為跨導(dǎo)式中rds為FET共源極輸出電阻故或者微變等效電路簡化的微變等效電路或者微變等效電路簡化