場效應管及其基本電路詳解

1、2021年12月1日星期三模擬電子技術1第三章 場效應管及其基本電路31 結(jié)型場效應管 311 結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)及工作原理312 結(jié)型場效應管的特性曲線一、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)2021年12月1日星期三模擬電子技術232 絕緣柵場效應管(IGFET)321 絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)322 N溝道增強型MOSFET一、導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)2021年12月1日星期三模擬電子技術3323 N溝道耗盡型 MOSFET324各種類型MOS管的符號及特性對比33 場效應管的參數(shù)和小信號

2、模型331場效應管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)二、極限參數(shù)三、交流參數(shù)332 場效應管的低頻小信號模型2021年12月1日星期三模擬電子技術434 場效應管放大器341 場效應管偏置電路一、圖解法二、解析法342 場效應管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器2021年12月1日星期三模擬電子技術5第三章第三章 場效應管及其基本電路場效應管及其基本電路（1）了解場效應管內(nèi)部工作原理及性能特點。）了解場效應管內(nèi)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(shù)。）掌握場效應管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場效應管基本放大電路的組成、工作原）了解場效應管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點

3、。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)（）掌握放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)（ ）的分析方法。）的分析方法。omoiURRAu、2021年12月1日星期三模擬電子技術6場效應晶體管（場效應管）利用多數(shù)載流子的漂移運動形成電流。 場效應管FET(Field Effect Transistor)結(jié)型場效應管JFET(Junction FET)絕緣柵場效應管IGFET(Insulated Gate FET)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。2021年12月1日星期三模擬電子技術731 結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管 311 結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)型場效應管

4、的結(jié)構(gòu)及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖31結(jié)型場效應管的結(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)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu).avi一、結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)一、結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)2021年12月1日星期三模擬電子技術8P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖31結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號ID實際流向2021年12月1日星期三模擬電子技術9NDGSPP(a) UGS =0，溝道最寬圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖二、結(jié)型場效應管的工

5、作原理二、結(jié)型場效應管的工作原理),(DSGSDuufi 2021年12月1日星期三模擬電子技術10(b) UGS負壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖32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2021年12月1日星期三模擬電子技術11(c) UGS負壓進一步增大，溝道夾斷圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖DSPPUGSUGSoff夾斷電壓夾斷電壓2021年12月1日星期三模擬電子技術12DGSUDSUGSIDPP 0溝道預夾斷DGS(a)uGDUGSoff（預夾斷前）UDSID 0UGSPP 圖34 uDS對導電溝道的影響 uGD=UGSoff

6、（預夾斷時）縱向電場作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上寬下窄）2021年12月1日星期三模擬電子技術13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) uGDUGSoff（或uDSUGSoff預夾斷前所對應的區(qū)域。uGS0， uDS02021年12月1日星期三模擬電子技術15圖33JFET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)2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS0VUGSoff0.5V漏極輸出特性曲線漏極輸出特

7、性曲線.avi2021年12月1日星期三模擬電子技術16 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。2021年12月1日星期三模擬電子技術172.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。uGDuGS-UGSoff）uGSUGSoff(1)當UGSoffuGS0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) u

8、GS固定，uDS增大，iD增大極小。2021年12月1日星期三模擬電子技術184.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UGSUGSoff時，溝道被全部夾斷，iD=0，故此區(qū)為截止區(qū)。3. 截止區(qū)2021年12月1日星期三模擬電子技術19二、轉(zhuǎn)移特性曲線二、轉(zhuǎn)移特性曲線2)1 (GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(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：uGS0， iD02021年12月1日星期三模擬電子技術20uGS/V012312345IDS

9、SUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2021年12月1日星期三模擬電子技術21uGS/ V0 1 2 312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/ V可變電阻區(qū)恒截止區(qū) 2V 1.5V 1VuDSuGSUGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS0VUGSoff0.5V從輸出特性曲線作轉(zhuǎn)移特性曲線示意圖轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線.avi2021年12月1日星期三模擬電子技術2232 絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管(IGFET)柵極與溝道之間隔了一層很薄的絕緣體，其阻抗比JFET的

10、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體場效應管，用符號MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。一、簡介一、簡介2021年12月1日星期三模擬電子技術23MOSFETN溝道P溝道增強型 N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分類二、分類2021年12月1日星期三模擬電子技術24321 絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)322 N溝道增強型溝道增

11、強型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、導電溝道的形成及工作原理一、導電溝道的形成及工作原理UGS=0，導電溝道未形成PN結(jié)(耗盡層)NNP型襯底DSG2021年12月1日星期三模擬電子技術25B(a) UGSUGSth，導電溝道已形成柵源電壓柵源電壓VGS對溝道的影響對溝道的影響.avi2021年12月1日星期三模擬電子技術27圖 uDS增大，溝道預夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+2021年12月1日星期三模擬電子技術28圖39 uDS增大，溝道預夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預夾斷2021年12月1日星期三模擬電子技術29圖 uDS增大，溝道預夾斷

12、后情況BUDSP型襯底UGSN+N+漏源電壓漏源電壓VDS對溝道的影響對溝道的影響.avi2021年12月1日星期三模擬電子技術30二、輸出特性二、輸出特性(1)截止區(qū)uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）2021年12月1日星期三模擬電子技術33三、轉(zhuǎn)移特性三、轉(zhuǎn)移特性(1)當uGSUGSth時，iD 0，二者符合平方律關系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD02021年12月1日星期三模擬電子技術34uGS/V032112345UGS thiD/mA圖37 NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線2021年12月1日星

13、期三模擬電子技術35323 N溝道耗盡型溝道耗盡型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIiID0表示uGS=0時所對應的漏極電流。 )(220GSoffoxnDULWCuI2021年12月1日星期三模擬電子技術36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NUGS=0，導電溝道已形成2021年12月1日星期三模擬電子技術37圖310N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1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu2021年

14、12月1日星期三模擬電子技術38iDuGSUGSoff0(a)ID0圖310N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)DGSB2021年12月1日星期三模擬電子技術39324各種類型各種類型MOS管的符號及特性對比管的符號及特性對比DGSDGSN溝道P溝道JFET圖311各種場效應管的符號對比2021年12月1日星期三模擬電子技術40DSGBDSGBDSGBDSGBN溝道P溝道增強型N溝道P溝道耗盡型MOSFET圖311各種場效應管的符號對比2021年12月1日星期三模擬電子技術41JFET：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

15、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(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入輸入電壓電壓輸出輸出電流電流GSSDuGSiD2021年12月1日星期三模擬電子技術42iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth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312各種場效應管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比(a)轉(zhuǎn)移特性N溝道：0DiP溝道：0Di2021年12月1日星期三模擬電子技術43圖312各種場效應管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比uDSiD0線性線性可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)0

16、12345601231233456789結(jié)型P 溝耗盡型MOS P溝345601201231233456789結(jié)型N溝耗盡型 增強型MOS N溝UGS/VUGS/V增強型(b)輸出特性N溝道：0DiP溝道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu2021年12月1日星期三模擬電子技術44放大飽和/可變電阻 截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCu)(GSthGSoffGSuuuBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCu)(GSthGSoffGSuuu)(

17、GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuuBJT與與FET工作狀態(tài)的對比工作狀態(tài)的對比2021年12月1日星期三模擬電子技術45場效應管工作狀態(tài)的判斷方法場效應管工作狀態(tài)的判斷方法1.先判斷是否處于先判斷是否處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)2.再判斷是否處于再判斷是否處于放大狀態(tài)放大狀態(tài))(NGSthGSoffGSDSuuuu溝道：)(:GSthGSoffGSuuuN溝道)(:GSthGSoffGS

18、uuuP溝道)(PGSthGSoffGSDSuuuu溝道：)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuu或或或或指導思想：假設處于某一狀態(tài)，然后用計算結(jié)果驗證假設是否成立。2021年12月1日星期三模擬電子技術4633 場效應管的參數(shù)和小信號模型場效應管的參數(shù)和小信號模型 331 場效應管的主要參數(shù)場效應管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)1. 結(jié)型場效應管和耗盡型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(shù)對增強型MOSF

19、ET來說，主要參數(shù)有開啟電壓UGSth。2021年12月1日星期三模擬電子技術473.輸入電阻RGS對結(jié)型場效應管，RGS在1081012之間。對MOS管，RGS在10101015之間。通常認為RGS 。 二、極限參數(shù)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=IDUDS2021年12月1日星期三模擬電子技術48三、交流參數(shù)三、交流參數(shù)1跨導gm)/(VmdudigCuGSDmDS對JFET和耗盡型MOS管2)1 (GSoffGSDSSDUuIi那么DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIU

20、uUIdudig2)1 (DQQGSDmIdudig2021年12月1日星期三模擬電子技術4922)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而對增強型MOSFET那么，對應工作點Q的gm為DQDQoxnmkIILWCug22DQQGSDmIdudig2021年12月1日星期三模擬電子技術502.輸出電阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流區(qū)的rds可以用下式計算UA為厄爾利電壓。DQAdsIUr 2021年12月1日星期三模擬電子技術51),(DSGSDuufi 若輸入為正弦量，上式可改寫為dsdsgsmdUrUgI1通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，則33

21、2 場效應管的低頻小信號模型場效應管的低頻小信號模型gsmdUgI DSdsGSmDSDSDGSGSDDdurdugduuiduuidi12021年12月1日星期三模擬電子技術52rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖313 場效應管低頻小信號簡化模型dsdsgsmdUrUgI1gsmdUgI 2021年12月1日星期三模擬電子技術5334 場效應管放大器場效應管放大器341 場效應管偏置電路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、EMOSFET2021年12月1日

22、星期三模擬電子技術54 圖314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)2021年12月1日星期三模擬電子技術55一、圖解法一、圖解法SDGSRiu柵源回路直流負載線方程1.自偏壓方式RDUDDRSuiRGV圖315 (a)圖解法求自偏壓方式電路的直流工作點SR1Q2021年12月1日星期三模擬電子技術56圖315 (b)圖解法求混合偏置方式電路直流工作點SDDDGGGGSRiURRRu2122.混合偏置方式柵源回路直流負載線方程RDUDDRSuiRG2RG1SR120

23、21年12月1日星期三模擬電子技術57二、解析法二、解析法2)1 (GSoffGSDSSDUUIi已知電流方程及柵源直流負載線方程，聯(lián)立求解即可求得工作點。RDUDDRSuiRGVSDGSRiu2021年12月1日星期三模擬電子技術58 342場效應管放大器分析場效應管放大器分析一、共源放大器一、共源放大器UiC2C1RDRG1RSUDD20VRG2150k50k2k10kRL1M(a)Uo.RG31M.C3圖316 (a)共源放大器電路2021年12月1日星期三模擬電子技術59圖316 (b)共源放大器電路低頻小信號等效電路MRRRRGGGi0375. 1/213kRrRRDdsDo10/)

24、/(LDdsgsmoRRrUgU)(LDmiouRRgUUA2021年12月1日星期三模擬電子技術60uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm5mA/V圖318 (a)帶電流負反饋的放大電路例例 試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。2021年12月1日星期三模擬電子技術61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)/(LDdoRRIU)(1SdimgsmdRIUgUgIiSmmdURggI113 . 8)/(11LmLDSmmiouRgRRRggUUA2021年12月1日星期三模擬電子技術62C

25、2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V圖319 (a)共漏電路二、共漏放大器二、共漏放大器2021年12月1日星期三模擬電子技術63圖319 (b)共漏電路等效電路 UoRLRSSDIdgmUgsgmUi-Id(RSRL)/2021年12月1日星期三模擬電子技術641. 放大倍數(shù)Au )/(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI)/(LSdoRRIU iLmmdURggI1LmLmiLSdiouRgRgURRIUUA1)/(76. 0106 . 11021106 . 11023333UoRLRSSDIdgmUgs2021年12月1日

26、星期三模擬電子技術652.輸入電阻 MRRRRRGGGGi0375. 1/213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V2021年12月1日星期三模擬電子技術66圖圖320計算共漏電路輸出電阻計算共漏電路輸出電阻Ro的電路的電路 3. 輸出電阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kUoRG31MRL10kUigm2mA/VIo2021年12月1日星期三模擬電子技術67圖320計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路mSoogIUR1omomgsmSUgUgUgI)(4001021/1021/33mSogRR2021年12月1日星期三模擬電子技術682021年12月1日星期三模擬電子技術69作作 業(yè)業(yè)3-13-33-43-53-73-82021年12月1日星期三模擬電子技術70uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2021年12月1日星期三模擬電子技術71圖33JFET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)2V1