第3章電子線路課件

1、 3.1 3.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 3.2 3.2 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管 3.3 3.3 各種各種FETFET的特性比較及使用注意事項的特性比較及使用注意事項 3.4 3.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路 本章小結(jié)本章小結(jié)3.1 3.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 3.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 1.結(jié)構(gòu) 結(jié)型場效應(yīng)管按其導(dǎo)電溝道分為N溝道和P溝道兩種。其結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號如圖3.1和圖3.2所示。圖3.1 N溝道JFET圖3.2 P溝道JFET 2.工作原理 （1）uGS對iD的控制作用 uGS對iD的控制作用如圖3.3所示。圖3.3 uGS =0，

2、柵源電壓uGS對導(dǎo)電溝道的影響 在圖3.3（a）中，柵源電壓等于0，溝道面積最大。 在圖3.3（b）中，柵源之間加上反偏電壓，溝道面積變窄。 在圖3.3（c）中，柵源之間的反偏電壓增加，耗盡層合攏，溝道被夾斷，面積為零。 綜上所述，改變柵源反偏電壓的大小，可以有效改變柵源反偏電壓的大小，可以有效的控制溝道電阻的大小的控制溝道電阻的大小。 （2）uDS對iD的影響 uDS對iD的影響如圖3.4所示。圖3.4 uDS對導(dǎo)電溝道的影響 (a) uDS=0時的情況 (b) uDS | UGS(off)|時的情況圖3.4 uDS對導(dǎo)電溝道的影響 在圖3.4（a）中，漏源電壓等于0，漏極電流等于零。 在圖

3、3.4（b）中，漏源電壓增加，漏極電流增加。 在圖3.4（c）中，漏源電壓增加，使耗盡層在靠近漏端合攏，漏極電流趨于飽和。 在圖3.4（d）中，漏源電壓繼續(xù)增加，耗盡層的合攏點下移，漏極電流不變。 綜上所述，漏源電壓的主要作用是形成漏極電漏源電壓的主要作用是形成漏極電流流。 綜上分析，可得下述結(jié)論： JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，其作用是控制導(dǎo)電溝道的電阻，從而控制漏極電流的大小。 漏源電壓的作用是形成漏極電流。 施加?xùn)旁措妷汉吐┰措妷旱脑瓌t是：必須保證管內(nèi)的PN結(jié)處于反向偏置。 3.1.2 JFET3.1.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) 1.輸出特性 JFET的輸

4、出特性如圖3.5所示。（a） uGS0 （b）柵源電壓uGS改變圖3.5 N溝道JFET的輸出特性 圖3.5（b）的輸出特性可劃分為4個區(qū)域。 （1）可變電阻區(qū) （2）飽和區(qū)或恒流區(qū) （3）擊穿區(qū) （4）夾斷區(qū)：當(dāng)uGSUGS(off)時，iD=0，稱為夾斷區(qū)，或稱為截止區(qū)。 2.轉(zhuǎn)移特性 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性如圖3.6所示。 圖3.6N溝道JFET轉(zhuǎn)移特性 實驗表明，在UGS(off)uGS0范圍內(nèi)，即在飽和區(qū)內(nèi)，iD隨uGS增加（負(fù)數(shù)減少）近似按平方上升，因而有 (當(dāng) 時)0)(GSoffGSuU2)(1offGSGSDDSDUuIi 3.主要參數(shù) （1）夾斷電壓UGS(off)

5、（2）飽和漏電流IDSS （3）低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）gm| = 常數(shù) （3.2） 互導(dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力互導(dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力。GSDmdudig DSu （4）最大漏源電壓U(BR)DS （5）最大柵源電壓U(BR)GS （6）直流輸入電阻RGS （7）輸出電阻rd | =常數(shù) （3.3） （8）最大耗散功率PDMGSuDDSdddur 3.1 思考題思考題u N溝道結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間能否加正偏電壓？為什么？返回3.2 3.2 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管 3.2.1 N3.2.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET 1.結(jié)構(gòu)及符號 N溝道增強型MO

6、SFET的結(jié)構(gòu)和代表符號如圖3.7（a）、（b）所示。 P溝道MOSFET的代表符號如圖3.7(c)所示。 圖3.7MOSFET N溝道縱剖面圖N溝道增強型符號P溝道增強型符號 2.工作原理 N溝道增強型MOS管正常工作時，在柵源之間加?xùn)旁粗g加正向電壓正向電壓V VGGGG，漏源之間加正向電壓，漏源之間加正向電壓V VDDDD，如圖3.8所示。圖3.8 N溝道增強型MOS管工作原理 當(dāng)uGS=0時，漏極和源極之間形成兩個反向連接的PN結(jié)，其中一個PN結(jié)是反偏的，故漏極電流為零。 當(dāng)uGS0時，會產(chǎn)生一個垂直于P型襯底的電場，這個電場將P區(qū)中的自由電子吸引到襯底表面，同時排斥襯底表面的空穴。u

7、GS越大，吸引到P襯底表面層的電子越多，當(dāng)uGS達(dá)到一定值時，這些電子在柵極附近的P型半導(dǎo)體表面形成一個N型薄層，構(gòu)成了漏極和源極之間的N型導(dǎo)電溝道。 若在漏源之間加上電壓uDS，就會產(chǎn)生漏極電流iD。 將形成導(dǎo)電溝道時所需最小的柵、源電壓稱為將形成導(dǎo)電溝道時所需最小的柵、源電壓稱為開啟電壓，用開啟電壓，用“U UGS(th)GS(th)”表示。改變柵、源電壓就表示。改變柵、源電壓就可可以改變溝道的寬度，也就可以有效的控制漏極電流以改變溝道的寬度，也就可以有效的控制漏極電流i iD D。 3.特性曲線 N溝道增強型MOSFET的輸出特性及轉(zhuǎn)移特性如圖3.9所示。 圖 3.9 N溝道增強型MOS

8、FET特性曲線(a)輸出特性 （b）轉(zhuǎn)移特性 4.參數(shù) MOSFET的參數(shù)與JFET基本相同。需要注意的是，在增強型管子中不用夾斷電壓UGS(off)，而用開啟電壓UGS(th)表征管子的特性。 3.2.23.2.2N N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETMOSFET 耗盡型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與代表符號如圖3.10所示。 (a) N溝道結(jié)構(gòu)圖 （b） N溝道符號 （c） P溝道符號圖3.10 耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)及符號圖 圖（a）為N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)圖，它與增強型場效應(yīng)管不同的是這種管子在制造時，就在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子。由于正離子的作用，即使在uGS=0時也會在漏源之間形成導(dǎo)電

9、溝道，此時，只要在漏源之間加上正向電壓uDS，就會產(chǎn)生漏極電流iD。 當(dāng)柵源之間加反偏電壓uGS時，溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷減少，從而使iD減小。 反偏電壓uGS增大，溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷進一步減少。 當(dāng)反偏電壓增大到某一值時，溝道被夾斷，使當(dāng)反偏電壓增大到某一值時，溝道被夾斷，使i iD D=0=0，此時的，此時的u uGSGS稱為夾斷電壓，用稱為夾斷電壓，用U UGSGS（offoff）表示。表示。 N溝道耗盡型場效應(yīng)管的特性曲線如圖3.11所示。（a）轉(zhuǎn)移特性 （b）輸出特性圖3.11 N溝道耗盡型場效應(yīng)管特性曲線 由圖（a）可以看出，耗盡型耗盡型MOSMOS管的管的u uGSGS不論是不論是正

10、是負(fù)或零都可以控制正是負(fù)或零都可以控制i iD D。 在uGS UGS（off）時，iD與uGS的關(guān)系可用下式表示： 2)(1offGSGSDDDUuIi（3.4） 3.2 思考題思考題u絕緣柵型場效應(yīng)管有哪幾類？其邏輯符號有什么區(qū)別？u各類絕緣柵型場效應(yīng)管在正常工作時，應(yīng)如何施加電壓？返回3.3 3.3 各種各種FETFET的特性比較及使用注意事項的特性比較及使用注意事項3.3.1 各種FET的特性比較各種FET的特性比較如表3.1所示。表 3.1各種場效應(yīng)管的特性比較工作方式符 號電壓極性轉(zhuǎn)移特性iD=f(uGS)輸出特性iD=f(uDS)uGSuDS絕緣柵(MOSFET)N型溝道耗盡型(

11、-)(+)(+)增強型(+)(+)絕緣柵(MOSFET) P型溝道耗盡型(+)(-)(-)增強型(-)(-)結(jié)型(JFET)P型溝道耗盡型(+)(-)結(jié)型(JFET)N型溝道耗盡型(-)(+)sgd襯gds襯sdg襯gds襯sgdsgdiDuGSOOuGSiDOiDuGSOuGSiDuGSOiDuGSOiDiDuDS0 VuGS 0.2 V 0.2 V 0.4 VOuGS 5 ViDuDS4 V3 VO0 ViDuDSuGS1 V1 V2 VOiDuDSOuGS6 V5 V4 VuDSOiD3 V 2 V1 VuGS0 ViDuDSO3 V2 V1 VuGS 0 V- 3.3.2 3.3.2

12、使用注意事項及檢測方法使用注意事項及檢測方法 1.注意事項 （1）在MOS管中，可將源極與襯底連在一起。 （2）出廠時已將源極與襯底連在一起的，源極與漏極不能對調(diào)。 （3）JFET的柵源電壓不能接反，但可以在開路狀態(tài)下保存。而MOSFET不使用時，須將各電極短路。 （4）焊接時，電烙鐵必須有外接地線。特別是焊接MOSFET時，最好斷電后再焊接。 2.檢測 由于絕緣柵型（MOS）場效應(yīng)管輸入阻抗高，不宜用萬用表測量，必須用測試儀測量，而且測試儀器必須良好接地，測試結(jié)束后應(yīng)先短接各電極，以防外來感應(yīng)電勢將柵極擊穿。 結(jié)型效應(yīng)管可用萬用表判別其管腳和性能的優(yōu)劣。 （1）管腳的判別 首先確定柵極，將萬

13、用表置R1K或R100檔，用黑表棒接假設(shè)的柵極，再用紅表棒分別接另外兩腳。若測得的阻值小，黑、紅表棒對調(diào)后阻值很大，則假設(shè)的柵極正確，并知它是N溝道場效應(yīng)管，反之為P溝道場效應(yīng)管。 其次確定源極和漏極，對于結(jié)型場效應(yīng)管，由于漏、源極是對稱的，可以互換，因此，剩余的兩只管腳中任何一只都可以作為源極或漏極。 （2）質(zhì)量判定 把萬用表置R1K或R100檔，紅、黑兩表棒分別交替接源極和漏極，阻值均?。?然后將黑表棒接?xùn)艠O，紅表棒分別接源極和漏極，對N溝道管阻值應(yīng)很小，對P溝道阻值應(yīng)很大； 再將紅、黑表棒對調(diào)，測得的數(shù)值相反，這樣的管子基本上是好的。否則要么擊穿，要么斷路。 3.3 思考題思考題u你能從

14、轉(zhuǎn)移特性曲線上判別出場效應(yīng)管的類型嗎？u使用場效應(yīng)管時應(yīng)注意什么？返回3.4 3.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路 3.4.1 FET3.4.1 FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析的直流偏置電路及靜態(tài)分析 1.自偏壓電路 電路及各元件的名稱及作用如圖3.12（a）所示。圖3.12（a） 自偏壓電路 在圖中，UGS=-IDRS，適當(dāng)選擇RS值，可獲得合適的柵偏壓UGS。 2.分壓式自偏壓電路 分壓式自偏壓電路如圖3.12(b)所示。圖3.12 （b）分壓式自偏壓電路 在圖中，漏極電源VDD經(jīng)分壓電阻Rg1和Rg2分壓后，通過Rg3供給柵極電壓為： UGRg2VDD(Rg1+Rg2) USIDRS

15、 SDDDgggSGGSRIVRRRUUU212 3.4.2 FET3.4.2 FET放大電路的動態(tài)分析放大電路的動態(tài)分析 1.電路組成 交流信號是從柵極輸入，漏極輸出，源極作為公共端。電路如圖3.13(a)所示，其中C1、C2為耦合電容，其作用是隔直通交；CS為源極旁路電容，消除RS對交流信號的衰減，其交流通路如圖3.13(b)所示。(a)電路圖 (b)交流通路 圖3.13 共源放大電路 2.微變等效電路 (1) 場效應(yīng)管的微變等效電路 圖3.14 場效應(yīng)管微變等效電路 (2) 共源放大電路的微變等效電路 共源放大電路的微變等效電路如圖3.15所示。 圖3.15 共源放大電路的微變等效電路

16、3.性能指標(biāo)的計算 (1) 電壓放大倍數(shù)： Au= - id（RdRL）ugs = - gm RL （3.6） (2) 輸入電阻： ri= Rg+（Rg1Rg2） （3.7） 由式(3.7)可以看出，Rg3的接入大大提高了放大電路的輸入電阻。 (3) 輸出電阻： ro=Rd （3.8）3.4 思考題思考題u 增強型MOS管能否采用自偏壓電路來設(shè)置靜態(tài)工作點？返回本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 1. FET是電壓控制電流器件，只依靠一種載流子 導(dǎo)電，因而屬于單極型器件。 2. 在FET放大電路中，UDS的極性決定于溝道性質(zhì)，N（溝道）為正，P（溝道）為負(fù)；為了建立合適的偏置電壓UGS，不同類型的FET，對偏置電壓的極性有不同要求：JFET的UGS與UDS極性相反，增強型MOSFET的UGS與UDS同極性，耗盡型MOSFET的UGS可正、可負(fù)或為零。 3.