1、第三章 場效應管及其根本電路31 結型場效應管 311 結型場效應管的構造及任務原理312 結型場效應管的特性曲線一、轉移特性曲線二、輸出特性曲線1. 可變電阻區2.恒流區3. 截止區4.擊穿區32 絕緣柵場效應管(IGFET)321 絕緣柵場效應管的構造322 N溝道加強型MOSFET一、導電溝道的構成及任務原理二、轉移特性三、輸出特性(1)截止區(2)恒流區(3)可變電阻區323 N溝道耗盡型 MOSFET324各種類型MOS管的符號及特性對比33 場效應管的參數和小信號模型331場效應管的主要參數一、直流參數二、極限參數三、交流參數332 場效應管的低頻小信號模型34 場效應管放大器34

2、1 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、共漏放大器第三章第三章 場效應管及其根本電路場效應管及其根本電路1了解場效應管內部任務原理及性能特點。了解場效應管內部任務原理及性能特點。2掌握場效應管的外部特性、主要參數。掌握場效應管的外部特性、主要參數。3了解場效應管根本放大電路的組成、任務原了解場效應管根本放大電路的組成、任務原理及性能特點。理及性能特點。4掌握放大電路靜態任務點和動態參數掌握放大電路靜態任務點和動態參數 的分析方法。的分析方法。omoiURRAu、場效應晶體管場效應管利用多數載流子的漂移運動構成電流。 場效應管FET(Field Eff

3、ect Transistor)結型場效應管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非平衡少數載流子的分散運動構成電流。31 結型場效應管結型場效應管 311 結型場效應管的構造及任務原理結型場效應管的構造及任務原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖31結型場效應管的構造表示圖及其表示符號Gate柵極Source源極Drain 漏極箭頭方向表示柵源間PN結假設加正向偏置電壓時柵極電流的實踐流動方向ID實踐流向結型場效應三極管的構造結型場效應三極管的構造.avi一、結型場效應管的構造一、結型場效應管的

4、構造P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖31結型場效應管的構造表示圖及其表示符號ID實踐流向NDGSPP(a) UGS =0，溝道最寬圖32柵源電壓UGS對溝道的控制造用表示圖二、結型場效應管的任務原理二、結型場效應管的任務原理),(DSGSDuufi (b) UGS負壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖32柵源電壓UGS對溝道的控制造用表示圖橫向電場作用：UGS溝道寬度 PN結耗盡層寬度(c) UGS負壓進一步增大，溝道夾斷圖32柵源電壓UGS對溝道的控制造用表示圖DSPPUGSUGSoff夾斷電壓夾斷電壓DGSUDSUGSIDPP 0溝道預夾斷DGS(a)uGDUGSoff預夾斷前U

5、DSID 0UGSPP 圖34 uDS對導電溝道的影響 uGD=UGSoff預夾斷時縱向電場作用：在溝道呵斥楔型構造上寬下窄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溝道部分夾斷IDPP幾乎不變(b) uGDUGSoff或uDSUGSoff預夾斷前所對應的區域。uGS0，uDS0圖33JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線(b)輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區恒截止區2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流區擊穿區UGS0VUGSoff0.5V漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線.avi 當u

6、DS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。2.恒流區iD的大小幾乎不受uDS的控制。預夾斷后所對應的區域。uGDuGS-UGSoffuGSUGSoff(1)當UGSoffuGS0時，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關系， uGS對iD的控制才干很強。(2) uGS固定，uDS增大，iD增大極小。4.擊穿區隨著uDS增大，接近漏區的PN結反偏電壓 uDG(=uDS-uG

7、S)也隨之增大。 當UGSUGSoff時，溝道被全部夾斷，iD=0，故此區為截止區。3. 截止區二、轉移特性曲線二、轉移特性曲線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。恒流區中：uGS0，iD0uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉移特性曲線為保證場效應管正常任務，PN結必需加反向偏置電壓圖33JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線uGS/ V0 1 2 312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/ V

8、可變電阻區恒截止區 2V 1.5V 1VuDSuGSUGSoff515流區擊穿區UGS0VUGSoff0.5V從輸出特性曲線作轉移特性曲線表示圖轉移特性曲線轉移特性曲線.avi32 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的反偏PN結的阻抗更大。功耗低，集成度高。絕緣體普通為二氧化硅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MOSFETN溝道P溝道加

9、強型 N-EMOSFET耗盡型加強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分類二、分類321 絕緣柵場效應管的構造絕緣柵場效應管的構造322 N溝道加強型溝道加強型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、導電溝道的構成及任務原理一、導電溝道的構成及任務原理UGS=0，導電溝道未構成PN結(耗盡層)NNP型襯底DSGB(a) UGSUGSth，導電溝道已構成柵源電壓柵源電壓VGS對溝道的影響對溝道的影響.avi圖 uDS增大，溝道預夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+圖39 uDS增大，溝道預夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預夾斷圖 uD

10、S增大，溝道預夾斷后情況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.avi二、輸出特性二、輸出特性(1)截止區uDS0uGSUGSthuGDUGSth或uDSUGSthuGDuGS-UGSth三、轉移特性三、轉移特性(1)當uGSUGSth時，iD 0，二者符合平方律關系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD0uGS/V032112345UGS thiD/mA圖37 NMOSFET的轉移特性曲線323 N溝道耗盡型溝道耗盡型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIiID0表示u

11、GS=0時所對應的漏極電流。 )(220GSoffoxnDULWCuI圖 N溝道耗盡型MOS場效應管的溝道構成BN導電溝道反型層P型襯底NUGS=0，導電溝道已構成圖310N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1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuuiDuGSUGSoff0(a)ID0圖310N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)DGSB324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

12、的符號對比DSGBDSGBDSGBDSGBN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JFET：利用柵源電壓 輸入電壓對耗盡層厚度的控制來改動導電溝道的寬度，從而實現對漏極電流輸出電流的控制。MOSFET：利用柵源電壓 輸入電壓對半導體外表感生電荷量的控制來改動導電溝道的寬度，從而實現對漏極電流輸出電流的控制。FET輸入輸入電壓電壓輸出輸出電流電流GSSDuGSiDiDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth結型P溝耗盡型P溝加強型P溝MOS耗盡型N溝加強型N溝MOS結型N溝圖312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：0DiP溝道：0

13、Di圖312各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比uDSiD0線性可變電阻區線性可變電阻區012345601231233456789結型P 溝耗盡型MOS P溝345601201231233456789結型N溝耗盡型 加強型MOS N溝UGS/VUGS/V加強型(b)輸出特性N溝道：0DiP溝道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu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)BEU

14、u0BCu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuuBJT與與FET任務形狀的對比任務形狀的對比場效應管任務形狀的判別方法場效應管任務形狀的判別方法1.先判別能否處于截止形狀先判別能否處于截止形狀2.再判別能否處于放大形狀再判別能否處于放大形狀)(NGSthGSoffGSDSuuuu溝道：)(:GSthGSoffGSuuuN溝道)(:GSthGSoff

15、GSuuuP溝道)(PGSthGSoffGSDSuuuu溝道：)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuu或或或或指點思想：假設處于某一形狀，然后用計算結果驗證假設能否成立。33 場效應管的參數和小信號模型場效應管的參數和小信號模型 331 場效應管的主要參數一、直流參數一、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.加強型MOSFET的主要參數對加強型MOSFET來說，主要參數有開啟電壓UGSth。3.輸入電阻RG

16、S對結型場效應管，RGS在1081012之間。對MOS管，RGS在10101015之間。通常以為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=IDUDS三、交流參數三、交流參數1 跨 導gm)/(VmdudigCuGSDmDS對JFET和耗盡型MOS管2)1 (GSoffGSDSSDUuIi那么DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIUuUIdudig2)1 (DQQGSDmIdudig22)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而對加強型MOSFET那么，對

17、應任務點Q的gm為DQDQoxnmkIILWCug22DQQGSDmIdudig2.輸出電阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流區的rds可以用下式計算UA為厄爾利電壓。DQAdsIUr ),(DSGSDuufi 假設輸入為正弦量，上式可改寫為dsdsgsmdUrUgI1通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，那么332 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 DSdsGSmDSDSDGSGSDDdurdugduuiduuidi1rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖313 場效應管低頻小信號簡化模型dsdsgsmdUrUgI1gs

18、mdUgI 34 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 確定直流任務點方法圖解法解析法 適宜 JFET、DMOSFET適宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET 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)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任務點SR1Q圖315 (b)圖解法求混合偏置方式電路直流任

19、務點SDDDGGGGSRiURRRu2122.混合偏置方式柵源回路直流負載線方程RDUDDRSuiRG2RG1SR1二、解析法二、解析法2)1 (GSoffGSDSSDUUIi知電流方程及柵源直流負載線方程，聯立求解即可求得任務點。RDUDDRSuiRGVSDGSRiu 342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)共源放大器電路圖316 (b)共源放大器電路低頻小信號等效電路MRRRRGGGi0375. 1/213kRrRRDdsDo10/)/(LDdsgsmoRRr

20、UgU)(LDmiouRRgUUAuiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm5mA/V圖318 (a)帶電流負反響的放大電路例例 試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。圖3-18 (b) (c)帶電流負反響放大電路的等效電路及簡化等效電路)/(LDdoRRIU)(1SdimgsmdRIUgUgIiSmmdURggI113 . 8)/(11LmLDSmmiouRgRRRggUUAC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V圖319 (a)共漏電路二、

21、共漏放大器二、共漏放大器圖319 (b)共漏電路等效電路 UoRLRSSDIdgmUgsgmUi-Id(RSRL)/1. 放大倍數Au )/(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI)/(LSdoRRIU iLmmdURggI1LmLmiLSdiouRgRgURRIUUA1)/(76. 0106 . 11021106 . 11023333UoRLRSSDIdgmUgs2.輸入電阻 MRRRRRGGGGi0375. 1/213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V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/VIo圖320計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路mSoogIUR1omomgsmSUgUgUgI)(4001021/1021/33mSogRR作作 業業3-13-33-43-53-73-8uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉移特性曲線為保證場效應管正常任務，PN結必需加反向偏置電壓圖33JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線圖33JFET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