信號與系統(tǒng)-第三章-場效應(yīng)管及其放大電路課件

第三章場效應(yīng)管及其放大電路3.1場效應(yīng)晶體管3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管3.1.2絕緣柵場效應(yīng)管3.1.3場效應(yīng)管的參數(shù)3.2場效應(yīng)管工作狀態(tài)分析及其偏置電路3.2.1場效應(yīng)管的工作狀態(tài)分析3.2.2場效應(yīng)管的偏置電路3.3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3.3.2共源放大電路3.3.3共漏放大電路第三章場效應(yīng)管及其放大電路3.1場效應(yīng)晶體管3.1.場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)管）：

只有一種載流子（多子）起運載電流的作用。

也稱作單極型晶體管。雙極型晶體管：多子與少子同時參加導(dǎo)電。3.1場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管的優(yōu)點：P70場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)管）：

只有一種載流子（多子）起運載電流

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)場效應(yīng)管的分類：場效應(yīng)管FET結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵場效應(yīng)管3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）N型溝道PPDGSGate柵極Source源極Drain漏極1）P區(qū)重摻雜。2）源極和漏極可以互換。結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)：注意：DSG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主要以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例講解。3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）N型溝道PPDGSGatP型溝道NNDGSDSGP溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號：P型溝道NNDGSDSGP溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理：N型溝道PPDGS注意：需在柵極和源極之間加上負的電壓UGS，

在漏極和源極之間加上正的電壓UDS。結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理：N型溝道PPDGS注意：NDGSPP(a)UGS=0，導(dǎo)電溝道最寬柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖：(b)UGS負壓增大，溝道變窄DSPPUGSNDGSPP(a)UGS=0，導(dǎo)電溝道最寬柵源電壓UGS(c)UGS負壓進一步增大，溝道夾斷DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓此時漏極電流ID＝0。(c)UGS負壓進一步增大，溝道夾斷DSPPUGSUGSo關(guān)于柵源電壓的控制作用JFET溝道電阻的大小受其柵源電壓的控制，

可以看成是一個電壓控制的可變電阻器。關(guān)于柵源電壓的控制作用JFET溝道電阻的大小受其柵源電壓的控DGSUDSUGSIDPP>0溝道預(yù)夾斷DGS(a)預(yù)夾斷前UDSID＞0UGSPPUDS對導(dǎo)電溝道的影響：b)預(yù)夾斷時思考：預(yù)夾斷時UGS、UGD

滿足什么條件？DGSUDSUGSIDPP>0溝道預(yù)夾斷DGS(a)預(yù)夾預(yù)夾斷前：ID隨著UDS的增加而增加，大體呈線性上升關(guān)系，溝道等效為一個線性電阻。預(yù)夾斷后：夾斷區(qū)是高阻區(qū)，盡管UDS增大，但其增大的電壓基本上都落在夾斷區(qū)上，溝道兩端的壓降幾乎不變，使ID幾乎不變，表現(xiàn)出ID的恒流作用。完全夾斷后：ID=0。預(yù)夾斷前：預(yù)夾斷后：完全夾斷后：ID=0。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－0.5VN溝道JFET的輸出特性曲線：圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(b)輸出特性曲2.恒流區(qū)預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。uGSoff＜uGS＜0且uGD＜uGSoff1.可變電阻區(qū)預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。uGSoff＜uGS＜0且uGD＞uGSoff。3.擊穿區(qū)uDS增大，uDG也隨之增大，過大時PN結(jié)在靠近漏極處發(fā)生擊穿。4.截止區(qū)當(dāng)uGS＜uGSoff時，溝道被全部夾斷。iD=02.恒流區(qū)預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。uGSoff＜uGS＜0且uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應(yīng)管正常工作，結(jié)型場效應(yīng)管的柵源間必須加反向電壓。（2）轉(zhuǎn)移特性曲線兩個重要參數(shù)：IDSS：

飽和電流；

表示uGS=0時的iD值；UGSoff：夾斷電壓

uGS=UGSoff時iD為零。uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/恒流區(qū)中：恒流區(qū)中：3.1.2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，其輸入阻抗比JFET的反偏PN結(jié)的阻抗更大。功耗低，集成度高。IGFET也稱為MOSFET。

OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

金屬——氧化物——半導(dǎo)體場效應(yīng)管絕緣體一般為二氧化硅（SiO2）。3.1.2絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)柵極與溝道之間隔了MOSFETN溝道P溝道N溝道增強型MOSFETN溝道耗盡型MOSFETP溝道增強型MOSFETP溝道耗盡型MOSFET分類:MOSFETN溝道P溝道N溝道增強型MOSFETN溝道耗盡型一、N溝道增強型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)源極柵極漏極氧化層(SiO2)BWP型襯底N＋N＋L耗盡層A1層SGD(a)立體圖一、N溝道增強型MOSFET

(Enhanc(b)剖面圖SGDN＋N＋P型硅襯底絕緣層(SiO2)襯底引線B半導(dǎo)體金屬電極DGSB(c)電路符號(b)剖面圖SGDN＋N＋P型硅襯底絕緣層(SiO2)襯底引UGS=0，源極與漏極間導(dǎo)電溝道未形成N＋N＋P型襯底DSG工作原理：UGS=0，源極與漏極間導(dǎo)電溝道未形成N＋N＋P型襯底DSG加在柵極和襯底之間的正電壓將產(chǎn)生一個電場，這個電場將排斥緊靠絕緣層表面的空穴，而把電子吸引到絕緣層表面。當(dāng)自由電子的濃度大于空穴濃度后，這一薄層將由P型轉(zhuǎn)變成N型，通常稱這一薄層為反型層，它將在兩個N+區(qū)之間形成一個電子導(dǎo)電溝道。UGS>0,UDS=0N＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋B加在柵極和襯底之間的正電壓將產(chǎn)生一個電場，這個電場將排斥緊靠定義開啟電壓：UGSth當(dāng)UGSUGSth，導(dǎo)電溝道已形成.

當(dāng)UGS<UGSth，導(dǎo)電溝道未形成溝道形成后，如果讓uDS加上正電壓，源極的自由電子將沿著溝道到達漏極，形成漏極電流iD。定義開啟電壓：UGSth當(dāng)UGSUGSth，導(dǎo)電溝道已形uDS增大，溝道預(yù)夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預(yù)夾斷uDS增大，溝道預(yù)夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預(yù)uDS增大，溝道預(yù)夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+uDS增大，溝道預(yù)夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+2.N溝道增強型MOSFET管的轉(zhuǎn)移特性曲線(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。UGSth>0UGS為正值。2.N溝道增強型MOSFET管的轉(zhuǎn)移特性曲線(1)當(dāng)uGSuDS為正值。3.N溝道增強型MOSFET管的輸出特性曲線iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)恒流區(qū)區(qū)穿擊uDS為正值。3.N溝道增強型MOSFET管的輸出特性曲線(1)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuGD>UGSth(2)恒流區(qū)預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuGDUGSth(4)截止區(qū)uGS<UGSth導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。(3)擊穿區(qū)uDSUBR(DSO)時，進入擊穿區(qū)。(1)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuG恒流區(qū)中：其中：W為溝道寬度；L為溝道長度；

k是與MOSFET的類型、結(jié)構(gòu)有關(guān)的制造參數(shù)。COX：柵極－絕緣層－溝道形成的MOS電容

（每單位面積的電容量）：電子遷移率（單位電場作用下電子的平均速度）恒流區(qū)中：其中：W為溝道寬度；L為溝道長度；

uDSiD0UGS厄爾利電壓

:溝道調(diào)制系數(shù)uDSiD0UGS厄爾利電壓:溝道調(diào)制系數(shù)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，所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。二、N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionBN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底N＋UGS=0，導(dǎo)電溝道已形成例如：在柵極下面的絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子，形成許多正電中心，即使uGS=0，由于正離子的存在仍能產(chǎn)生垂直電場，形成導(dǎo)電溝道。BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底N＋UGS=0，導(dǎo)電溝道已形圖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)DGSBuGS可正可負。圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(c)DGSBuG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)表示符號圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號式中：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：可見：公式形式與結(jié)型場效應(yīng)管相同。式中：IDSS——飽和電流，表示uGS=0時的iD值；恒流區(qū)場效應(yīng)管的類型：場效應(yīng)管FET結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵場效應(yīng)管IGFET或MOSFET增強型MOSFET耗盡型MOSFET另外：每一種場效應(yīng)管又有N溝道和P溝道之分。小結(jié)：各種場效應(yīng)管的符號與特性場效應(yīng)管的類型：場效應(yīng)管FET結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管IG各種場效應(yīng)管的符號：DGSDGSN溝道P溝道JFET圖示：各種場效應(yīng)管的符號對比1各種場效應(yīng)管的符號：DGSDGSN溝道P溝道JFET圖示：各圖示：各種場效應(yīng)管的符號對比2圖示：各種場效應(yīng)管的符號對比2恒流區(qū)，柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用：

JFET或耗盡型MOSFET：增強型MOS管：恒流區(qū)，柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用：

JFET或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溝圖示：各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性對比N溝道：P溝道：iDuGSU