南京郵電大學(xué)模擬電子線路第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本電路

第3章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理三、特性曲線1.輸出特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性曲線3.1.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET二、N溝道耗盡型MOSFET1/30/20241K0400041S模擬電子線路3.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)一、直流參數(shù)二、極限參數(shù)三、交流參數(shù)3.2場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析及其偏置電路3.2.1場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析一、各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比二、各種場(chǎng)效應(yīng)管的特性對(duì)比三、BJT與FET工作狀態(tài)的對(duì)比四、場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法1/30/20242K0400041S模擬電子線路3.2.2場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路一、自偏置電路二、分壓偏置電路3.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型3.3.2共源放大器3.3.3共漏放大器作業(yè)1/30/20243K0400041S模擬電子線路第3章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路（1）了解場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部工作原理及性能特點(diǎn)。（2）掌握?qǐng)鲂?yīng)管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點(diǎn)。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)（）的分析方法。1/30/20244K0400041S模擬電子線路場(chǎng)效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)管）利用多數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成電流。

場(chǎng)效應(yīng)管FET(FieldEffectTransistor)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET(JunctionFET)絕緣柵場(chǎng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電流。1/30/20245K0400041S模擬電子線路3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)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(shí)柵極電流的實(shí)際流動(dòng)方向ID實(shí)際流向結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu).avi一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管1/30/20246K0400041S模擬電子線路P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFETID實(shí)際流向圖3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)1/30/20247K0400041S模擬電子線路NDGSPP(a)UGS=0，溝道最寬圖3.1.2柵源電壓UGS對(duì)溝道的控制作用示意圖二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理1/30/20248K0400041S模擬電子線路(b)UGS負(fù)壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖3.1.2柵源電壓UGS對(duì)溝道的控制作用示意圖橫向電場(chǎng)作用：︱UGS︱↑↑→溝道寬度→

PN結(jié)耗盡層寬度↓1/30/20249K0400041S模擬電子線路(c)UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓圖3.1.2柵源電壓UGS對(duì)溝道的控制作用示意圖1/30/202410K0400041S模擬電子線路DGSUDSUGSIDPP>0溝道預(yù)夾斷DGS(a)uGD>UGSoff（預(yù)夾斷前）UDSID＞0UGSPP圖3.1.3uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

uGD=UGSoff（預(yù)夾斷時(shí)）縱向電場(chǎng)作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上窄下寬）1/30/202411K0400041S模擬電子線路由于夾斷點(diǎn)與源極間的溝道長(zhǎng)度略有縮短，呈現(xiàn)的溝道電阻值也就略有減小，且?jiàn)A斷點(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)三極管漏源電壓對(duì)溝道的控制作用.avi1/30/202412K0400041S模擬電子線路溝道夾斷溝道預(yù)夾斷溝道局部夾斷1/30/202413K0400041S模擬電子線路三、特性曲線1.輸出特性曲線uGS≤0，uDS≥0圖3.1.4(a)JFET的輸出特性曲線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

(1)可變電阻區(qū)uGD>UGSoffuGS>UGSoff;或uDS<uGS-UGSoff1/30/202414K0400041S模擬電子線路圖3.1.4(a)JFET的輸出特性曲線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(2)恒流區(qū)或uDS>uGS-UGSoffuGS>UGSoff;uGD<UGSoffiD的大小幾乎不受uDS的控制。uGS對(duì)iD的控制能力很強(qiáng)。1/30/202415K0400041S模擬電子線路圖3.1.4(a)JFET的輸出特性曲線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－0.5ViD=0(3)截止區(qū)UGS<UGSoff(4)擊穿區(qū)uDG(=uDS-uGS)增大引起PN結(jié)擊穿。1/30/202416K0400041S模擬電子線路2.轉(zhuǎn)移特性曲線uGS≤0，iD≥0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.aviuGS/V0-1-2-31234IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V恒-1VuDS=uGS-UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS=0VUGSoff-0.5V-1.5V-2V1/30/202417K0400041S模擬電子線路uGS/V0-1-2-312345IDSSUGSoffiD/mA為保證場(chǎng)效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓。圖3.1.4(b)JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線恒流區(qū)中：IDSS飽和電流，

表示uGS=0時(shí)的iD值；UGSoff夾斷電壓，

表示uGS=UGSoff時(shí)iD=0。1/30/202418K0400041S模擬電子線路3.1.2絕緣柵場(chǎng)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(chēng)為金屬——氧化物——半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，用符號(hào)MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。1.簡(jiǎn)介1/30/202419K0400041S模擬電子線路MOSFETN溝道P溝道增強(qiáng)型N-EMOSFET耗盡型增強(qiáng)型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET2.分類(lèi)1/30/202420K0400041S模擬電子線路一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET(EnhancementNMOSFET)1.N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)源極柵極漏極氧化層(SiO2)BWP型襯底N＋N＋L耗盡層A1層SGD圖3.1.5MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖1/30/202421K0400041S模擬電子線路圖3.1.5MOSFET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N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào).avi金屬(A1)1/30/202422K0400041S模擬電子線路UGS=0，導(dǎo)電溝道未形成PN結(jié)(耗盡層)N＋N＋P型襯底DSG2.N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理1/30/202423K0400041S模擬電子線路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3.1.6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)開(kāi)啟電壓：UGSthDSG1/30/202424K0400041S模擬電子線路BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋DGS(c)符號(hào)B襯底的箭頭方向表示PN結(jié)若加正向電壓時(shí)的電流方向(b)UGS>UGSth，導(dǎo)電溝道已形成柵源電壓VGS對(duì)溝道的影響.avi圖3.1.6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)1/30/202425K0400041S模擬電子線路

uDS增大，溝道預(yù)夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+1/30/202426K0400041S模擬電子線路圖3.1.8

uDS增大，溝道預(yù)夾斷時(shí)情況BUDSP型襯底UGSN+N+預(yù)夾斷1/30/202427K0400041S模擬電子線路

uDS增大，溝道預(yù)夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響.avi1/30/202428K0400041S模擬電子線路圖3.1.9N溝增強(qiáng)型MOSFET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(1)截止區(qū)uGS<UGSth(2)可變電阻區(qū)uGS>UGSth;或uDS<uGS-UGSthuGD>UGSth3.N溝增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性曲線1/30/202429K0400041S模擬電子線路圖3.1.9N溝增強(qiáng)型MOSFET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(3)恒流區(qū)uGS>UGSth;uGD<UGSth或uDS>uGS-UGSth1/30/202430K0400041S模擬電子線路uGS/V032112345UGS

thiD/mA圖3.1.7N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線4.N溝增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線恒流區(qū)1/30/202431K0400041S模擬電子線路二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET)UGS=0，導(dǎo)電溝道已形成BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底N＋1/30/202432K0400041S模擬電子線路圖3.1.10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)電路符號(hào)1/30/202433K0400041S模擬電子線路(c)DGSB圖3.1.10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)電路符號(hào)1/30/202434K0400041S模擬電子線路3.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)一、直流參數(shù)

1.飽和漏極電流IDSS：

2.夾斷電壓UGSoff：當(dāng)柵源電壓uGS=UGSoff時(shí)，iD=0。對(duì)應(yīng)uGS=0時(shí)的漏極電流。3.開(kāi)啟電壓UGSth。4.輸入電阻RGSJFET，RGS在108~1012Ω之間;MOSFET，RGS在1010~1015Ω之間。通常認(rèn)為RGS→∞。1/30/202435K0400041S模擬電子線路二、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·UDS1/30/202436K0400041S模擬電子線路三、交流參數(shù)1.跨導(dǎo)gm對(duì)JFET和DMOSFET那么對(duì)EMOSFET那么1/30/202437K0400041S模擬電子線路2.輸出電阻rds

恒流區(qū)的rds可以用下式計(jì)算UA為厄爾利電壓。1/30/202438K0400041S模擬電子線路DGSDGSN溝道P溝道JFET一、各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比3.2.1場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析3.2場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)分析及其偏置電路1/30/202439K0400041S模擬電子線路DSGBDSGBDSGBDSGBN溝道P溝道增強(qiáng)型N溝道P溝道耗盡型MOSFET1/30/202440K0400041S模擬電子線路JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對(duì)耗盡層厚度的控制來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流（輸出電流）的控制。MOSFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對(duì)半導(dǎo)體表面感生電荷量的控制來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入電壓輸出電流GSSDuGSiD二、各種場(chǎng)效應(yīng)管的特性對(duì)比1/30/202441K0400041S模擬電子線路iDuGSUGSoff0IDSSIDSSUGSth結(jié)型P溝耗盡型P溝增強(qiáng)型P溝MOS耗盡型N溝增強(qiáng)型N溝MOS結(jié)型N溝N溝道：P溝道：圖3.2.1(a)各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性對(duì)比1/30/202442K0400041S模擬電子線路N溝道：P溝道：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(qiáng)型MOSN溝UGS/V增強(qiáng)型UGS/V圖3.2.1(b)各種場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性對(duì)比1/30/202443K0400041S模擬電子線路放大飽和/可變電阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FET三、BJT與FET工作狀態(tài)的對(duì)比1/30/202444K0400041S模擬電子線路四、場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法1.假設(shè)處于截止?fàn)顟B(tài)2.假設(shè)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(jì)算結(jié)果驗(yàn)證假設(shè)是否成立。1/30/202445K0400041S模擬電子線路RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG例3.2.1判斷圖3.2.2所示的場(chǎng)效應(yīng)管電路，管子的IDSS=3mA,UGSoff=-5V，管子工作在什么區(qū)間？圖3.2.2場(chǎng)效應(yīng)管電路1.假設(shè)處于截止?fàn)顟B(tài)應(yīng)有而2.假設(shè)處于放大狀態(tài)應(yīng)有1/30/202446K0400041S模擬電子線路而RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG滿足故管子工作在放大區(qū)。圖3.2.2場(chǎng)效應(yīng)管電路1/30/202447K0400041S模擬電子線路3.2.2場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路偏置電路自偏置電路分壓偏置電路確定直流工作點(diǎn)方法圖解法解析法

1/30/202448K0400041S模擬電子線路圖3.2.3場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路RDUDDRSuiRGVRDUDDRSuiRG2RG1(b)分壓偏置電路(a)自偏置電路只適宜JFET、DMOSFET適宜所有FET1/30/202449K0400041S模擬電子線路一、自偏置電路柵源回路直流負(fù)載線方程RDUDDRSuiRGV圖3.2.4(a)圖解法求自偏壓電路的直流工作點(diǎn)Q1/30/202450K0400041S模擬電子線路解析法：由電流方程及柵源直流負(fù)載線方程聯(lián)立求解RDUDDRSuiRGV1/30/202451K0400041S模擬電子線路圖3.2.4(b)圖解法求分壓偏置電路直流工作點(diǎn)二、分壓偏置電路柵源回路直流負(fù)載線方程RDUDDRSuiRG2RG11/30/202452K0400041S模擬電子線路RDUDDRSuiRG2RG1解析法：由電流方程及柵源直流負(fù)載線方程聯(lián)立求解1/30/202453K0400041S模擬電子線路若輸入為正弦量，上式可改寫(xiě)為通常rds較大，Uds對(duì)Id的影響可以忽略，則3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型3.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1/30/202454K0400041S模擬電子線路rdsgmUgsUdsIdDS圖3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)模型GS1/30/202455K0400041S模擬電子線路3.3.2共源放大器圖3.3.2(a)共源放大器電路UiC2C1RDRG1RSUDD=20VRG2+150k50k2k10k++RL1MUoRG31MC3例3.3.1共源放大電路如圖3.3.2（a）所示，場(chǎng)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。1/30/202456K0400041S模擬電子線路圖3.3.2(b)共源放大器電路低頻小信號(hào)等效電路rdsDSUoRDRL+_+_UiGRG3RG2RG1gmUgs1/30/202457K0400041S模擬電子線路ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V圖3.3.2(a)含有源極電阻的共源放大電路例3.3.2試畫(huà)出低頻小信號(hào)等效電路，并計(jì)算增益Au。1/30/202458K0400041S模擬電子線路圖3.3.2(b)含有源極電阻的共源放大電路的等效電路gmUgsDSUoRS1RDRLrds+_+_UiGRG3RG2RG11/30/202459K0400041S模擬電子線路C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V圖3.3.4(a)共漏電路3.3.3共漏放大器1/30/202460K0