1、會計學1武漢理工大學模電武漢理工大學模電FET第一頁，共51頁。三極管三極管三極管放大三極管放大(fngd)電路電路分析方法分析方法圖解法估算( sun)法微變等效電路法oiRRAQ、場效應管場效應管場效應管放大電路場效應管放大電路小小 結結作業作業引言場效應管的分類JFETMOSFETFET放大電路MESFET各類FET放大電路性能比較第1頁/共51頁第二頁，共51頁。三極管(BJT)電流(dinli)控制器件（基極電流(dinli)）輸入阻抗(sh r z kn)不高雙極型器件（兩種載流子：多子少子均參與導電）噪聲高場效應管(Field Effect Transistor)電壓控制器件（柵

2、、源極間電壓）輸入阻抗極高單極型器件（一種載流子：多子參與導電）噪聲小缺點是速度慢（有寄生電容效應）場效應管（和三極管相比）：優點多、應用廣泛場效應管（和三極管相比）：優點多、應用廣泛第2頁/共51頁第三頁，共51頁。電壓(diny)控制器件 電流控制器件 單極型器件 雙極型器件 感生溝道 導電溝道增強型 耗盡型 夾斷電壓(diny) 開啟電壓(diny) 預夾斷 全夾斷 飽和漏極電流 柵電流 輸出特性 轉移特性 自偏壓電路 分壓式自偏壓電路 反相電壓(diny)放大器 電壓(diny)跟隨器 電流跟隨器第3頁/共51頁第四頁，共51頁。結型場效應管JFET（按導電(dodin)溝道類型）P溝

3、道(u do)N溝道絕緣柵型場效應管MOSFET耗盡型(按導電溝道形成機理)增強型P溝道N溝道P溝道N溝道按基本結構按基本結構第4頁/共51頁第五頁，共51頁。一、結構和工作一、結構和工作(gngzu)原理原理二、特性曲線二、特性曲線(qxin)和和參數參數1.1. 結構結構(jigu)(jigu)與符號與符號2.2. 工作原理工作原理 外部工作條件外部工作條件 vGS對對iD的控制作用的控制作用 vDS對對iD的影響的影響1.1. 輸出特性和轉移特性輸出特性和轉移特性2.2. 主要參數主要參數例題例題第5頁/共51頁第六頁，共51頁。N N溝道溝道(u do)(u do)結型場效應管結型場效

4、應管dP+P+Ngs耗盡層耗盡層三個區域：一個三個區域：一個(y )N(y )N區，兩個區，兩個P+P+區區三個電極：源極三個電極：源極s s，漏極，漏極d d，柵極，柵極g g一個導電溝道：一個導電溝道：N N型型 電路電路符號符號dgs箭頭方向：柵結正偏時柵極電流的方向箭頭方向：柵結正偏時柵極電流的方向（P溝道？）第6頁/共51頁第七頁，共51頁。P P溝道溝道(u do)(u do)結型場效應管結型場效應管dN+N+Pgs耗盡層耗盡層三個區域三個區域(qy)(qy)：一個：一個P P區，兩個區，兩個N+N+區區三個電極：源極三個電極：源極s s，漏極，漏極d d，柵極，柵極g g一個導電

5、溝道：一個導電溝道：P P型型電路符號電路符號箭頭方向：箭頭方向：dgs第7頁/共51頁第八頁，共51頁。dP+P+Ngs1.1. 外部外部(wib)(wib)工作條件工作條件2.2. vGS vGS為負值為負值3.3. vDS vDS為正值為正值2. vGS對對iD的控制的控制(kngzh)作用作用為便于討論，先假設漏源極間所加的電壓vDS=0(a) 當vGS=0時，溝道較寬，其 電阻較小。(b) 當vGS0時，PN結反偏，溝道變窄，其電阻增大。(c) 當vGS進一步減小到一定程度（ vGS VP），溝道消失，失去導電能力。全夾斷第8頁/共51頁第九頁，共51頁。3. vDS對對iD的影響的

6、影響(yngxing)（假設（假設vGS值固定，且值固定，且VPvGS0）dP+P+NgsVGGVDD(a)當漏源電壓vDS從零開始增大時，溝道(u do)中有電流iD流過。(b) 在vDS較小時，iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加。(c) 隨著vDS的進一步增加，出現楔形溝道(d)當vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時，預夾斷(e) 繼續增加，飽和，繼而發生擊穿第9頁/共51頁第十頁，共51頁。V0 . 2 1. 輸出特性輸出特性GSvDSvGiDi+場效應管的輸入電流iG 0，輸入特性無意義，故用輸出特性和轉移特性描述(mio sh)伏安特性（本

7、質為同一個物理過程）。常常數數 GS)DSDvf(vi024mA/Di61020PGSVvV0GSvV5 . 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 可變電阻區放大(fngd)（飽和）區截止區三個工作區域三個工作區域第10頁/共51頁第十一頁，共51頁。24061020PGSVvmA/DiV0GSvV5 . 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 V0 . 2 可變電阻區 可變電阻區可變電阻區 恒流區恒流區 夾斷夾斷(ji dun)(ji dun)區區 擊穿擊穿(j chun)(j chun)區區放大區截止區第11頁/共51頁第十二頁，共51頁。2. 轉移轉

8、移(zhuny)特性特性常常數數 DSGSDv)f(vi0GS3vGS1vPvDiGSv0GS2v10VDS/vDiV0GSvGS1vGS2vGS3vGS4vDSSI2PGSDSSD)1(VvIi PDSGSV0DDSSVvviI （transfer characteristic）第12頁/共51頁第十三頁，共51頁。在圖示電路中，已知場效應管的 ；問在下列(xili)三種情況下，管子分別工作在那個區？V5P VV4,V3DSGS vv（b）V1,V3DSGS vv（c）4V ,8VDSGS vv（a）例題(lt)GDSGRDDVDiDSvGSvDSvGiGGV DRSi解（a）因為(yn w

9、i)vGS0時，SiO2絕緣層上產生電場。方向(fngxing)垂直于半導體表面，由柵極指向襯底。該電場排斥空穴、吸引電子。在 vGS較小的情況(qngkung)下形成耗盡層。電場排斥空穴形成耗盡層MOSFET工作原理3第22頁/共51頁第二十三頁，共51頁。PN+SGDN+GSvDSv+(1) vGS對溝道的控制(kngzh)作用, vDS=0vGS繼續增大(zn d)將P襯底的電子吸引到表面，形成一個N型薄層，反型層，形成(xngchng)導電溝道出現反型層且與兩個N+區相連通，在漏源極間形成N型導電溝道。開啟電壓，VTMOSFET工作原理4第23頁/共51頁第二十四頁，共51頁。(1)

10、vGS對溝道的控制(kngzh)作用, vDS=0vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子(dinz)就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。PN+SGDN+GSvDSv+導電(dodin)溝道增厚溝道電阻減小MOSFET工作原理5第24頁/共51頁第二十五頁，共51頁。(2) vDS對iD的影響(yngxing)當vGSVT且為一確定值時，漏-源電壓(diny)vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。PN+SGDN+GSvDSv+當在漏源之間施加正向電壓(diny)vDS0，且vDS較小時，將產生漏極電流iD。iDiDMOSFET工作原理6第25頁/共51頁第

11、二十六頁，共51頁。(2) vDS對iD的影響(yngxing)，PN+SGDN+GSvDSv+漏極電流iD沿溝道(u do)形成的電壓降使溝道(u do)內各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大、溝道(u do)最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGSvDS，因而溝道(u do)最薄。iDiDvGSVT為定值沿溝(yn u)道有電位梯度vDSMOSFET工作原理7第26頁/共51頁第二十七頁，共51頁。(2) vDS對iD的影響(yngxing)隨著(su zhe)vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄。當vDS增加到使VGD=vGSvDS=VT時，溝道在漏極一端出現預夾斷。

12、 vGSVT為定值PN+SGDN+GSvDSv+iDiDMOSFET工作(gngzu)原理8第27頁/共51頁第二十八頁，共51頁。(2) vDS對iD的影響(yngxing)再繼續增大(zn d)vDS，vGSvDSVT為定值PN+SGDN+GSvDSv+iDiD管子進入飽和(boh)區iD達到最大值由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區（實際的線性工作區），iD幾乎僅由vGS決定 。 MOSFET工作原理9第28頁/共51頁第二十九頁，共51頁。MOS管的伏安特性(txng)用輸出特性(txng)和轉移特性(txng)描述輸出特性 常常數數

13、 GSDSDv)|f(vi轉移(zhuny)特性 常常數數 DSGSDv)|f(vi輸出特性描述當柵源電壓|vGS|=C為常量時，漏電流iD與漏源電壓vDS之間的關系。輸出特性曲線也分為可變電阻區、飽和區、截止區和擊穿區幾部分。GSvDSvGiDi+第29頁/共51頁第三十頁，共51頁。1. 輸出特性：TGSVv TGSVv 常常數數 GSDSDv)|f(viVDS/v10202406mA/DiTGSDSVvv 可變電阻區放大(fngd)（飽和）區截止(jizh)區擊穿(j chun)區MOSFET特性曲線2第30頁/共51頁第三十一頁，共51頁。(1) 可變電阻區a. vDS較小，溝道(u

14、do)尚未夾斷b. vDS vGS- |VT| c.管子(gun zi)相當于受vGS控制的壓控電阻1. 輸出特性TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 可變電阻區MOSFET特性(txng)曲線第31頁/共51頁第三十二頁，共51頁。(2) 放大(fngd)區(飽和區、恒流區)a. 溝道(u do)預夾斷c. iD幾乎(jh)與vDS無關d. iD只受vGS的控制b. vDS vGS- |VT| TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 放大區1. 輸出特性MOSFET特性曲線第32頁/共51頁第三十三頁，共51頁。a

15、. vGSVT(3) 截止(jizh)區b.溝道完全(wnqun)夾斷c. iD=0TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 1. 輸出特性截止(jizh)區MOSFET特性曲線第33頁/共51頁第三十四頁，共51頁。0VGS/vVV2T VVv2TGS 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 轉移特性(txng)曲線Vv3GS Vv4GS V3V4mA/DiVv10DS 輸出特性曲線(qxin)MOSFET特性(txng)曲線第34頁/共51頁第三十五頁，共51頁。sgdN+N+ SiO2 Alb耗盡層（導電溝道）（導電溝道）反型層PN溝道耗

16、盡(ho jn)型MOFETS符號 P溝道耗盡(ho jn)型MOSFET符號 gsdgsd第35頁/共51頁第三十六頁，共51頁。1JFET柵源電壓(diny)vGS的極性不能接反，JFET可開路保存。3. MOSFET的柵極是絕緣的，感應電荷不易泄放，而且(r qi)絕緣層很薄，極易擊穿。所以柵極不能開路，存放時應將各電極短路。焊接時，電烙鐵必須可靠接地，或者斷電利用烙鐵余熱焊接，并注意對交流電場的屏蔽。2從MOSFET的結構上看，其源極和漏極是對稱(duchn)的，因此可以互換。當MOSFET的襯底引線單獨引出時，應將其接到電路中的電位最低點（對N溝道MOS管而言）或電位最高點（對P溝道

17、MOS管而言），以保證溝道與襯底間的PN結處于反向偏置，使襯底與溝道及各電極隔離。第36頁/共51頁第三十七頁，共51頁。增強型與耗盡(ho jn)型管子的區別：耗盡(ho jn)型：增強型：0D iTGSVv 當 時，PGSVv 當 時，0D i絕緣(juyun)柵型場效應管（MOSFET）小結：第37頁/共51頁第三十八頁，共51頁。一、常見一、常見(chn jin)組態：共源、共漏、共柵（用的很組態：共源、共漏、共柵（用的很少）少）二、直流偏置二、直流偏置(pin zh)三、分析方法三、分析方法四、分析舉例四、分析舉例1.估算法估算法2. 圖解法（略）圖解法（略）3.小信號模型分析法小信

18、號模型分析法場效應管放大電路：場效應管放大電路：電壓控制型器件，放大作用以跨導電壓控制型器件，放大作用以跨導gm來體現來體現三極管放大電路：三極管放大電路：電流控制型器件，放大作用以電流放大倍電流控制型器件，放大作用以電流放大倍數來體現數來體現第38頁/共51頁第三十九頁，共51頁。自偏壓(pin y)電路直流偏置(pin zh)電路固定偏壓電路分壓器式自偏壓電路一、自偏壓電路一、自偏壓電路二、分壓器式自偏壓電路二、分壓器式自偏壓電路+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2R

19、g3RSDQSDQSQGQGSQ 0 RIRIVVV 自偏壓原理：自偏壓原理：第39頁/共51頁第四十頁，共51頁。場效應管的小信號(xnho)模型小信號前提下，可以用直線來逼近(bjn)FET的特性曲線。用直線來代替，即將非線性元件線性化、非線性電路線性化。 GSvDSvGiDi+gsdgsmvgdsrGSv+DSv+小信號(xnho)模型gsdgsmvgGSv+DSv+第40頁/共51頁第四十一頁，共51頁。場效應管放大(fngd)電路的動態分析例一共源極放大共源極放大(fngd)電路電路小信號小信號(xnho)等效電路等效電路+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+LRii_iv+gRgsdGSv+gsmvgdR_ov+LR第41頁/共51頁第四十二頁，共51頁。小信號(xnho)模型+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2Rg3RLR場效應管放大(fngd)電路的動態分析例二ii_iv+g3RgsdGSv+gsmvgdR_ov+LRg1Rg2R第42頁/共51頁第四十三頁，共51頁。ii_iv+g3RgsdGSv+gsmv