場效應(yīng)管及其基本電路詳解

第三章場效應(yīng)管及其基本電路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)及工作原理3―1―2結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線一、轉(zhuǎn)移特性曲線二、輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)2.恒流區(qū)3.截止區(qū)4.擊穿區(qū)2/2/20231模擬電子技術(shù)3―2絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)3―2―1絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)3―2―2N溝道增強型MOSFET一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理二、轉(zhuǎn)移特性三、輸出特性(1)截止區(qū)(2)恒流區(qū)(3)可變電阻區(qū)2/2/20232模擬電子技術(shù)3―2―3N溝道耗盡型MOSFET3―2―4各種類型MOS管的符號及特性對比3―3場效應(yīng)管的參數(shù)和小信號模型3―3―1場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)二、極限參數(shù)三、交流參數(shù)3―3―2場效應(yīng)管的低頻小信號模型2/2/20233模擬電子技術(shù)3―4場效應(yīng)管放大器3―4―1場效應(yīng)管偏置電路一、圖解法二、解析法3―4―2場效應(yīng)管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器2/2/20234模擬電子技術(shù)第三章場效應(yīng)管及其基本電路（1）了解場效應(yīng)管內(nèi)部工作原理及性能特點。（2）掌握場效應(yīng)管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場效應(yīng)管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)（）的分析方法。2/2/20235模擬電子技術(shù)場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)管）利用多數(shù)載流子的漂移運動形成電流。

場效應(yīng)管FET(FieldEffectTransistor)結(jié)型場效應(yīng)管JFET(JunctionFET)絕緣柵場效應(yīng)管IGFET(InsulatedGateFET)雙極型晶體管主要是利用基區(qū)非平衡少數(shù)載流子的擴散運動形成電流。2/2/20236模擬電子技術(shù)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)及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3―1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號Gate柵極Source源極Drain漏極箭頭方向表示柵源間PN結(jié)若加正向偏置電壓時柵極電流的實際流動方向ID實際流向結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu).avi一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)2/2/20237模擬電子技術(shù)P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖3―1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號ID實際流向2/2/20238模擬電子技術(shù)NDGSPP(a)UGS=0，溝道最寬圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖二、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理2/2/20239模擬電子技術(shù)(b)UGS負(fù)壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖橫向電場作用：︱UGS︱↑↑→溝道寬度→PN結(jié)耗盡層寬度↓2/2/202310模擬電子技術(shù)(c)UGS負(fù)壓進一步增大，溝道夾斷圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓2/2/202311模擬電子技術(shù)DGSUDSUGSIDPP>0溝道預(yù)夾斷DGS(a)uGD>UGSoff（預(yù)夾斷前）UDSID＞0UGSPP圖3―4uDS對導(dǎo)電溝道的影響

uGD=UGSoff（預(yù)夾斷時）縱向電場作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上寬下窄）2/2/202312模擬電子技術(shù)由于夾斷點與源極間的溝道長度略有縮短，呈現(xiàn)的溝道電阻值也就略有減小，且夾斷點與源極間的電壓不變。DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDPP幾乎不變(b)

uGD<UGSoff（預(yù)夾斷后）結(jié)型場效應(yīng)三極管漏源電壓對溝道的控制作用.avi2/2/202313模擬電子技術(shù)3―1―2結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線一、輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)iD的大小同時受uGS和uDS的控制。uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）uGS>UGSoff預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。uGS≤0，uDS≥02/2/202314模擬電子技術(shù)圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(b)輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V漏極輸出特性曲線.avi2/2/202315模擬電子技術(shù)

當(dāng)uDS很小時，uDS對溝道的影響可以忽略，溝道的寬度及相應(yīng)的電阻值僅受uGS的控制。輸出特性可近似為一組直線，此時，JFET可看成一個受uGS控制的可變線性電阻器（稱為JFET的輸出電阻）；當(dāng)uDS較大時，uDS對溝道的影響就不能忽略，致使輸出特性曲線呈彎曲狀。2/2/202316模擬電子技術(shù)2.恒流區(qū)iD的大小幾乎不受uDS的控制。預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）uGS>UGSoff(1)當(dāng)UGSoff<uGS<0時，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關(guān)系，uGS對iD的控制能力很強。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大極小。2/2/202317模擬電子技術(shù)4.擊穿區(qū)隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。當(dāng)UGS<UGSoff時，溝道被全部夾斷，iD=0，故此區(qū)為截止區(qū)。3.截止區(qū)2/2/202318模擬電子技術(shù)二、轉(zhuǎn)移特性曲線式中：IDSS——飽和電流，表示uGS=0時的iD值；UGSoff——夾斷電壓，表示uGS=UGSoff時iD為零。恒流區(qū)中：uGS≤0，iD≥02/2/202319模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2/2/202320模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V從輸出特性曲線作轉(zhuǎn)移特性曲線示意圖轉(zhuǎn)移特性曲線.avi2/2/202321模擬電子技術(shù)3―2絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)柵極與溝道之間隔了一層很薄的絕緣體，其阻抗比JFET的反偏PN結(jié)的阻抗更大。功耗低，集成度高。絕緣體一般為二氧化硅（SiO2），這種IGFET稱為金屬——氧化物——半導(dǎo)體場效應(yīng)管，用符號MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。一、簡介2/2/202322模擬電子技術(shù)MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分類2/2/202323模擬電子技術(shù)3―2―1絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)3―2―2N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理UGS=0，導(dǎo)電溝道未形成PN結(jié)(耗盡層)N＋N＋P型襯底DSG2/2/202324模擬電子技術(shù)B(a)UGS<UGSth，導(dǎo)電溝道未形成N＋UGSN＋PN結(jié)(耗盡層)P型襯底圖3―6N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的溝道形成及符號開啟電壓：UGSthDSG2/2/202325模擬電子技術(shù)圖3―6N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的溝道形成及符號BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋DGS(c)符號B襯底的箭頭方向表示PN結(jié)若加正向電壓時的電流方向(b)UGS>UGSth，導(dǎo)電溝道已形成柵源電壓VGS對溝道的影響.avi2/2/202326模擬電子技術(shù)圖uDS增大，溝道預(yù)夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+2/2/202327模擬電子技術(shù)圖3―9uDS增大，溝道預(yù)夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預(yù)夾斷2/2/202328模擬電子技術(shù)圖uDS增大，溝道預(yù)夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+漏源電壓VDS對溝道的影響.avi2/2/202329模擬電子技術(shù)二、輸出特性(1)截止區(qū)uDS≥0uGS<UGSth導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。(2)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）2/2/202330模擬電子技術(shù)iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)恒流區(qū)區(qū)穿擊圖3―8輸出特性(a)輸出特性2/2/202331模擬電子技術(shù)(3)恒流區(qū)·曲線間隔均勻，uGS對iD控制能力強?！DS對iD的控制能力弱，曲線平坦。預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）2/2/202332模擬電子技術(shù)三、轉(zhuǎn)移特性(1)當(dāng)uGS<UGSth時，iD=0。(2)當(dāng)uGS>UGSth時，iD>0，二者符合平方律關(guān)系。iD≥02/2/202333模擬電子技術(shù)uGS/V032112345UGSthiD/mA圖3―7NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線2/2/202334模擬電子技術(shù)3―2―3N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionNMOSFET)ID0表示uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。2/2/202335模擬電子技術(shù)圖N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管的溝道形成BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底N＋UGS=0，導(dǎo)電溝道已形成2/2/202336模擬電子技術(shù)圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號2/2/202337模擬電子技術(shù)圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(c)DGSB2/2/202338模擬電子技術(shù)3―2―4各種類型MOS管的符號及特性對比DGSDGSN溝道P溝道JFET圖3―11各種場效應(yīng)管的符號對比2/2/202339模擬電子技術(shù)圖3―11各種場效應(yīng)管的符號對比2/2/202340模擬電子技術(shù)JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對耗盡層厚度的控制來改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實現(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。MOSFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對半導(dǎo)體表面感生電荷量的控制來改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實現(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入電壓輸出電流GSSDuGSiD2/2/202341模擬電子技術(shù)iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth結(jié)型P溝耗盡型P溝增強型P溝MOS耗盡型N溝增強型N溝MOS結(jié)型N溝圖3―12各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比(a)轉(zhuǎn)移特性N溝道：P溝道：2/2/202342模擬電子技術(shù)圖3―12各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比uDSiD0線性可變電阻區(qū)01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9結(jié)型P溝耗盡型MOSP溝－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789結(jié)型N溝耗盡型增強型MOSN溝UGS/VUGS/V增強型(b)輸出特性N溝道：P溝道：2/2/202343模擬電子技術(shù)放大飽和/可變電阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBJT與FET工作狀態(tài)的對比2/2/202344模擬電子技術(shù)場效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法1.先判斷是否處于截止?fàn)顟B(tài)2.再判斷是否處于放大狀態(tài)或或指導(dǎo)思想：假設(shè)處于某一狀態(tài)，然后用計算結(jié)果驗證假設(shè)是否成立。2/2/202345模擬電子技術(shù)3―3場效應(yīng)管的參數(shù)和小信號模型

3―3―1場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOSFET的主要參數(shù)(1)飽和漏極電流IDSS(ID0)：(2)夾斷電壓UGSoff：當(dāng)柵源電壓uGS=UGSoff時，iD=0。對應(yīng)uGS=0時的漏極電流。2.增強型MOSFET的主要參數(shù)對增強型MOSFET來說，主要參數(shù)有開啟電壓UGSth。2/2/202346模擬電子技術(shù)3.輸入電阻RGS對結(jié)型場效應(yīng)管，RGS在108~1012Ω之間。對MOS管，RGS在1010~1015Ω之間。通常認(rèn)為RGS→∞。

二、極限參數(shù)(1)柵源擊穿電壓U(BR)GSO。(2)漏源擊穿電壓U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS2/2/202347模擬電子技術(shù)三、交流參數(shù)1跨導(dǎo)gm對JFET和耗盡型MOS管那么2/2/202348模擬電子技術(shù)而對增強型MOSFET那么，對應(yīng)工作點Q的gm為2/2/202349模擬電子技術(shù)2.輸出電阻rds恒流區(qū)的rds可以用下式計算UA為厄爾利電壓。2/2/202350模擬電子技術(shù)若輸入為正弦量，上式可改寫為通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，則3―3―2場效應(yīng)管的低頻小信號模型2/2/202351模擬電子技術(shù)rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖3―13場效應(yīng)管低頻小信號簡化模型2/2/202352模擬電子技術(shù)3―4場效應(yīng)管放大器3―4―1場效應(yīng)管偏置電路偏置方式自偏壓方式混合偏置方式確定直流工作點方法圖解法解析法適宜JFET、DMOSFET適宜JFET、DMOSFET、EMOSFET2/2/202353模擬電子技術(shù)圖3―14場效應(yīng)管偏置方式(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRG2(b)RG1(分壓式偏置)2/2/202354模擬電子技術(shù)一、圖解法柵源回路直流負(fù)載線方程1.自偏壓方式RDUDDRSuiRGV圖3―15(a)圖解法求自偏壓方式電路的直流工作點Q2/2/202355模擬電子技術(shù)圖3―15(b)圖解法求混合偏置方式電路直流工作點2.混合偏置方式柵源回路直流負(fù)載線方程RDUDDRSuiRG2RG12/2/202356模擬電子技術(shù)二、解析法已知電流方程及柵源直流負(fù)載線方程，聯(lián)立求解即可求得工作點。RDUDDRSuiRGV2/2/202357模擬電子技術(shù)

3―4―2場效應(yīng)管放大器分析一、共源放大器圖3―16(a)共源放大器電路2/2/202358模擬電子技術(shù)圖3―16(b)共源放大器電路低頻小信號等效電路2/2/202359模擬電子技術(shù)ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V圖3―18(a)帶電流負(fù)反饋的放大電路例試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。2/2/202360模擬電子技術(shù)圖3-18(b)(c)帶電流負(fù)反饋放大電路的等效電路及簡化等效電路2/2/202361模擬電子技術(shù)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V圖3―19(a)共漏電路二、共漏放大器2/2/202362模擬電子技術(shù)圖3―19(b)共漏電路等效電路＋－UoRLRSSDIdgmUgs＝gm[Ui-Id(RSRL)]//2/2/202363模擬電子技術(shù)1.放大倍數(shù)Au

＋－UoRLRSSDIdgmUgs2/2/202364模擬電子技術(shù)2.輸入電阻C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V2/2/202365模擬電子技術(shù)圖3―20計算共漏電路輸出電阻Ro的電路3.輸出電阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋UoRG31MRL10k＋－＋－Uigm＝2mA/VIo2/2/202366模擬電子技術(shù)圖3―20計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路2/2/202367模擬電子技術(shù)2/2/202368模擬電子技術(shù)作業(yè)3-13-33-43-53-73-82/2/202369模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2/2/202370模擬電子技術(shù)圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(b)輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V漏極輸出特性曲線.avi2/2/202371模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/m