第三章場效應(yīng)晶體管及其放大電路課件

11六月2023模擬電子電路1第三章場效應(yīng)管及其放大電路場效應(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絕緣柵場效應(yīng)管IGFET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。11六月2023模擬電子電路23.1.1結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理N型溝道P+P+DGSDSG(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ID11六月2023模擬電子電路3P型溝道N+N+DGSDSG(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ID11六月2023模擬電子電路4NDGSP+P+(a)UGS=0，溝道最寬11六月2023模擬電子電路5(b)UGS負(fù)壓增大，溝道變窄DSPPUGS11六月2023模擬電子電路6(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11六月2023模擬電子電路7DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDDGS(a)uDS-uGS<|UGSoff|（預(yù)夾斷前）UDSID＞0UGSPPPP

圖3―3uDS對導(dǎo)電溝道的影響(b)uDS-uGS>|UGSoff|（預(yù)夾斷后）幾乎不變11六月2023模擬電子電路8（1）輸出特性曲線

1.可變電阻區(qū)

當(dāng)漏、柵間電壓uDS-uGS<|UGSoff|時，即預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域，iD的大小同時受uGS和uDS的控制。

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。二、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線11六月2023模擬電子電路9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－0.5V11六月2023模擬電子電路102.恒流區(qū)(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。

當(dāng)漏、柵間電壓uDS-uGS>|UGSoff|時，即預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。iD的大小幾乎不受uDS的控制。11六月2023模擬電子電路11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－0.5V11六月2023模擬電子電路12DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDDGS(a)

uDS-uGS<|UGSoff|（預(yù)夾斷前）UDSID＞0UGSPPPP

圖3―4uDS對導(dǎo)電溝道的影響(b)

uDS-uGS>|UGSoff|（預(yù)夾斷后）幾乎不變11六月2023模擬電子電路134.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)11六月2023模擬電子電路14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－0.5V11六月2023模擬電子電路15（2）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)：11六月2023模擬電子電路16uGS/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11六月2023模擬電子電路173.1.2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。11六月2023模擬電子電路18源極柵極漏極氧化層(SiO2)BWP型襯底N＋N＋L耗盡層A1層SGD(a)立體圖絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)11六月2023模擬電子電路19圖3―5絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖(b)剖面圖SGDN＋N＋P型硅襯底絕緣層(SiO2)襯底引線B半導(dǎo)體金屬DGS(c)符號B11六月2023模擬電子電路20MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET11六月2023模擬電子電路21

一、N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)1、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理11六月2023模擬電子電路22B(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UGSth11六月2023模擬電子電路23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11六月2023模擬電子電路24圖3―9uDS增大，溝道被局部夾斷(預(yù)夾斷)情況11六月2023模擬電子電路252、轉(zhuǎn)移特性(1)當(dāng)uGS<UGSth時，iD=0。(2)當(dāng)uGS>UGSth時，iD>0，uGS越大，

iD也隨之增大，二者符合平方律關(guān)系。11六月2023模擬電子電路263、輸出特性(1)可變電阻區(qū)條件：uGS>UGSth且uGD>UGSth

隨著的uDS增加，iD基本上線性上升；

柵壓愈大，曲線愈陡，電阻愈小。

11六月2023模擬電子電路27iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)(a)恒流區(qū)區(qū)穿擊

圖3―8輸出特性

11六月2023模擬電子電路28(2)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。·進入恒流區(qū)的條件，即預(yù)夾斷條件為uGS>UGSth且uGD≤UGSth11六月2023模擬電子電路29圖3―9uDS增大，溝道被局部夾斷(預(yù)夾斷)情況11六月2023模擬電子電路30iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)(a)恒流區(qū)區(qū)穿擊

圖3―8輸出特性

11六月2023模擬電子電路31(4)截止區(qū)：uGS≤UGSth，導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。(3)擊穿區(qū)當(dāng)uDS≥UBR(DSO)時，進入擊穿區(qū)。11六月2023模擬電子電路32二、N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionNMOSFET)N溝耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與N溝增加型MOSFET的結(jié)構(gòu)相似,不同的只是在制造器件時已在源區(qū)和漏區(qū)之間做成了N型溝道。

11六月2023模擬電子電路33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11六月2023模擬電子電路34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11六月2023模擬電子電路35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)DGSB11六月2023模擬電子電路36恒流區(qū)當(dāng)uGS=0時漏極電流稱為飽和漏電流，記做IDSS

。11六月2023模擬電子電路37各種類型MOS管的符號及特性對比DGSDGSN溝道P溝道結(jié)型FET圖3―11各種場效應(yīng)管的符號對比11六月2023模擬電子電路38圖3―11各種場效應(yīng)管的符號對比11六月2023模擬電子電路3911六月2023模擬電子電路40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；(b)輸出特性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11六月2023模擬電子電路413.1.3場效應(yīng)管的參數(shù)

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。IDSS指的是對應(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。11六月2023模擬電子電路423.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·UDS11六月2023模擬電子電路43三、交流參數(shù)1跨導(dǎo)gm對JFET和耗盡型MOS管，電流方程為那么，對應(yīng)工作點Q的gm為式中，IDQ為直流工作點電流。直流工作點電流IDQ↑，gm↑

。11六月2023模擬電子電路44而對增強型MOSFET，其電流方程為那么，對應(yīng)工作點Q的gm為直流工作點電流IDQ↑，gm↑

。11六月2023模擬電子電路452.輸出電阻rds

恒流區(qū)的rds可以用下式計算：其中，UA為厄爾利電壓。11六月2023模擬電子電路46

圖3―8輸出特性

uDSiD0UGSUA(厄爾利電壓)(b)11六月2023模擬電子電路473.2場效應(yīng)工作狀態(tài)分析及偏置電路3.2.1場效應(yīng)管工作狀態(tài)分析管型截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)N溝道JFETUGS<UGSoffUGSoff<UGS<0UGD<UGSoffUGSoff<UGS<0UGSoff<UGD<0P溝道JFETUGS>UGSoff0<UGS<UGSoffUGD>UGSoff0<UGS<UGSoff0<UGD<UGSoffN溝道增強型MOSFETUGS<UGSthUGS>UGSth

UGD<UGSthUGS>UGSth

UGD>UGSthN溝道耗盡型MOSFETUGS<UGSoffUGS>UGSoffUGD<UGSoffUGS>UGSoff

UGD>UGSoffP溝道增強型MOSFETUGS>UGSthUGS<UGSth

UGD>UGSthUGS<UGSth

UGD<UGSthP溝道耗盡型MOSFETUGS>UGSoffUGS<UGSoff

UGD>UGSofUGS<UGSoff

UGD<UGSof11六月2023模擬電子電路48例3.2.1判斷圖3.2.2所示的場效應(yīng)管電路，管子工作在什么區(qū)間？UGSQ=-2V>UGSoff=-5V，解：因此不會工作在截止區(qū)。

假設(shè)管子工作在恒流區(qū)

UGD=UGS-UDS=-2-6.436=-8.436V?？梢缘贸鼋Y(jié)論：管子工作在恒流區(qū)。

11六月2023模擬電子電路493.2.2場效應(yīng)管偏置電路偏置方式自偏壓方式分壓式偏置方式

確定直流工作點方法圖解法解析法

結(jié)型場效應(yīng)管與耗盡型MOS場效應(yīng)管增強型MOSFET11六月2023模擬電子電路50

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)11六月2023模擬電子電路51一、圖解法————

柵源回路直流負(fù)載線方程1.對于自偏壓方式2.對于混合偏置方式————

柵源回路直流負(fù)載線方程11六月2023模擬電子電路52

圖3―15圖解法求直流工作點(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式

11六月2023模擬電子電路53

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)11六月2023模擬電子電路54二、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。自偏壓電路11六月2023模擬電子電路55分壓式偏置電路11六月2023模擬電子電路563.3場效應(yīng)管放大電路3.3.1場效應(yīng)管的低頻小信號模型

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11六月2023模擬電子電路57rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖3―13場效應(yīng)管低頻小信號簡化模型11六月2023模擬電子電路58圖3―13場效應(yīng)管低頻小信號模型11六月2023模擬電子電路59

3.3.2場效應(yīng)管放大器分析一、共源放大電路例3.3.1共源放大電路電路如圖所示，場效應(yīng)管的gm=5mA/V，分析該電路的交流性能指標(biāo)Au、Ri和RO。11六月2023模擬電子電路60圖3―16共源放大器電路及其低頻小信號等效電路(a)電路；(b)低頻小信號等效電路11六月2023模擬電子電路61圖3―16共源放大器電路及其低頻小信號等效電路(a)電路；(b)低頻小信號等效電路11六月2023模擬電子電路62式中，，且一般滿足RD‖RL<<rds。所以，共源放大器的放大倍數(shù)