場效應管及其基本電路

場效應管及其基本電路第1頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1013―2絕緣柵場效應管(IGFET)3―2―1絕緣柵場效應管的結構3―2―2N溝道增強型MOSFET一、導電溝道的形成及工作原理二、轉移特性三、輸出特性(1)截止區(qū)(2)恒流區(qū)(3)可變電阻區(qū)第2頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1023―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場效應管的參數和小信號模型3―3―1場效應管的主要參數一、直流參數二、極限參數三、交流參數3―3―2場效應管的低頻小信號模型第3頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1033―4場效應管放大器3―4―1場效應管偏置電路一、圖解法二、解析法3―4―2場效應管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器第4頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/104第三章場效應管及其基本電路（1）了解場效應管內部工作原理及性能特點。（2）掌握場效應管的外部特性、主要參數。（3）了解場效應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（）的分析方法。第5頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/105場效應晶體管（場效應管）利用多數載流子的漂移運動形成電流。

場效應管FET(FieldEffectTransistor)結型場效應管JFET(JunctionFET)絕緣柵場效應管IGFET(InsulatedGateFET)雙極型晶體管主要是利用基區(qū)非平衡少數載流子的擴散運動形成電流。第6頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1063―1結型場效應管3―1―1結型場效應管的結構及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3―1結型場效應管的結構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實際流向結型場效應三極管的結構.avi一、結型場效應管的結構第7頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/107P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖3―1結型場效應管的結構示意圖及其表示符號ID實際流向第8頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/108NDGSPP(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、結型場效應管的工作原理第9頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/109(b)UGS負壓增大，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結耗盡層寬度↓第10頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1010(c)UGS負壓進一步增大，溝道夾斷圖3―2柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓第11頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1011DGSUDSUGSIDPP>0溝道預夾斷DGS(a)uGD>UGSoff（預夾斷前）UDSID＞0UGSPP圖3―4uDS對導電溝道的影響

uGD=UGSoff（預夾斷時）縱向電場作用：在溝道造成楔型結構（上寬下窄）第12頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1012由于夾斷點與源極間的溝道長度略有縮短，呈現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（預夾斷后）結型場效應三極管漏源電壓對溝道的控制作用.avi第13頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10133―1―2結型場效應管的特性曲線一、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預夾斷前所對應的區(qū)域。uGS≤0，uDS≥0第14頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1014圖3―3JFET的轉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.avi第15頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1015

當uDS很小時，uDS對溝道的影響可以忽略，溝道的寬度及相應的電阻值僅受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。第16頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10162.恒流區(qū)iD的大小幾乎不受uDS的控制。預夾斷后所對應的區(qū)域。uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）uGS>UGSoff(1)當UGSoff<uGS<0時，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關系，uGS對iD的控制能力很強。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大極小。第17頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10174.擊穿區(qū)隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。當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)第18頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1018二、轉移特性曲線式中：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≥0第19頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1019uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉移特性曲線為保證場效應管正常工作，PN結必須加反向偏置電壓圖3―3JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線第20頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1020uGS/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移特性曲線示意圖轉移特性曲線.avi第21頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10213―2絕緣柵場效應管(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——半導體場效應管，用符號MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。一、簡介第22頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1022MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分類第23頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10233―2―1絕緣柵場效應管的結構3―2―2N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)一、導電溝道的形成及工作原理UGS=0，導電溝道未形成PN結(耗盡層)N＋N＋P型襯底DSG第24頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1024B(a)UGS<UGSth，導電溝道未形成N＋UGSN＋PN結(耗盡層)P型襯底圖3―6N溝道增強型MOS場效應管的溝道形成及符號開啟電壓：UGSthDSG第25頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1025圖3―6N溝道增強型MOS場效應管的溝道形成及符號BN＋導電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋DGS(c)符號B襯底的箭頭方向表示PN結若加正向電壓時的電流方向(b)UGS>UGSth，導電溝道已形成柵源電壓VGS對溝道的影響.avi第26頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1026圖uDS增大，溝道預夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+第27頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1027圖3―9uDS增大，溝道預夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預夾斷第28頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1028圖uDS增大，溝道預夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+漏源電壓VDS對溝道的影響.avi第29頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1029二、輸出特性(1)截止區(qū)uDS≥0uGS<UGSth導電溝道未形成，iD=0。(2)可變電阻區(qū)預夾斷前所對應的區(qū)域。uGS>UGSthuGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）第30頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1030iD0uDSUGS＝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)輸出特性第31頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1031(3)恒流區(qū)·曲線間隔均勻，uGS對iD控制能力強。·uDS對iD的控制能力弱，曲線平坦。預夾斷后所對應的區(qū)域。uGS>UGSthuGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）第32頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1032三、轉移特性(1)當uGS<UGSth時，iD=0。(2)當uGS>UGSth時，iD>0，二者符合平方律關系。iD≥0第33頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1033uGS/V032112345UGS

thiD/mA圖3―7NMOSFET的轉移特性曲線第34頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10343―2―3N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionNMOSFET)ID0表示uGS=0時所對應的漏極電流。第35頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1035圖N溝道耗盡型MOS場效應管的溝道形成BN＋導電溝道（反型層）P型襯底N＋UGS=0，導電溝道已形成第36頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1036圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號第37頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1037圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(c)DGSB第38頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10383―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各種場效應管的符號對比第39頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1039圖3―11各種場效應管的符號對比第40頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1040JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對耗盡層厚度的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現對漏極電流（輸出電流）的控制。MOSFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對半導體表面感生電荷量的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現對漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入電壓輸出電流GSSDuGSiD第41頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1041iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth結型P溝耗盡型P溝增強型P溝MOS耗盡型N溝增強型N溝MOS結型N溝圖3―12各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比(a)轉移特性N溝道：P溝道：第42頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1042圖3―12各種場效應管的轉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結型P溝耗盡型MOSP溝－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789結型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：第43頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1043放大飽和/可變電阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBJT與FET工作狀態(tài)的對比第44頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1044場效應管工作狀態(tài)的判斷方法1.先判斷是否處于截止狀態(tài)2.再判斷是否處于放大狀態(tài)或或指導思想：假設處于某一狀態(tài)，然后用計算結果驗證假設是否成立。第45頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10453―3場效應管的參數和小信號模型

3―3―1場效應管的主要參數一、直流參數1.結型場效應管和耗盡型MOSFET的主要參數

(1)飽和漏極電流IDSS(ID0)：

(2)夾斷電壓UGSoff：當柵源電壓uGS=UGSoff時，iD=0。對應uGS=0時的漏極電流。

2.增強型MOSFET的主要參數對增強型MOSFET來說，主要參數有開啟電壓UGSth。第46頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10463.輸入電阻RGS對結型場效應管，RGS在108~1012Ω之間。對MOS管，RGS在1010~1015Ω之間。通常認為RGS→∞。

二、極限參數(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·UDS第47頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1047三、交流參數1跨導gm對JFET和耗盡型MOS管那么第48頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1048而對增強型MOSFET那么，對應工作點Q的gm為第49頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10492.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。第50頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1050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場效應管的低頻小信號模型第51頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1051rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖3―13場效應管低頻小信號簡化模型第52頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10523―4場效應管放大器3―4―1場效應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、EMOSFET第53頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1053圖3―14場效應管偏置方式

(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)第54頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1054一、圖解法柵源回路直流負載線方程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Q第55頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1055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載線方程RDUDDRSuiRG2RG1第56頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1056二、解析法已知電流方程及柵源直流負載線方程，聯立求解即可求得工作點。RDUDDRSuiRGV第57頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1057

3―4―2場效應管放大器分析一、共源放大器圖3―16(a)共源放大器電路第58頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1058圖3―16(b)共源放大器電路低頻小信號等效電路第59頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1059ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V圖3―18(a)帶電流負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。第60頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1060圖3-18(b)(c)帶電流負反饋放大電路的等效電路及簡化等效電路第61頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1061C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V圖3―19(a)共漏電路二、共漏放大器第62頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1062圖3―19(b)共漏電路等效電路＋－UoRLRSSDIdgmUgs＝gm[Ui-Id(RS

RL)]//第63頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10631.放大倍數Au

＋－UoRLRSSDIdgmUgs第64頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/10642.輸入電阻C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V第65頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1065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/VIo第66頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1066圖3―20計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路第67頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1067第68頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1068作業(yè)3-13-33-43-53-73-8第69頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1069uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉移特性曲線為保證場效應管正常工作，PN結必須加反向偏置電壓圖3―3JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線第70頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1070圖3―3JFET的轉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.avi第71頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1071uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒