場效應(yīng)管及其基本電路詳解

1、2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)1第三章 場效應(yīng)管及其基本電路31 結(jié)型場效應(yīng)管 311 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理312 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線一、轉(zhuǎn)移特性曲線二、輸出特性曲線1. 可變電阻區(qū)2.恒流區(qū)3. 截止區(qū)4.擊穿區(qū)2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)232 絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)321 絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)322 N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理二、轉(zhuǎn)移特性三、輸出特性(1)截止區(qū)(2)恒流區(qū)(3)可變電阻區(qū)2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)3323 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(yīng)管的參數(shù)和小信號

2、模型331場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)二、極限參數(shù)三、交流參數(shù)332 場效應(yīng)管的低頻小信號模型2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)434 場效應(yīng)管放大器341 場效應(yīng)管偏置電路一、圖解法二、解析法342 場效應(yīng)管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)5第三章第三章 場效應(yīng)管及其基本電路場效應(yīng)管及其基本電路（1）了解場效應(yīng)管內(nèi)部工作原理及性能特點(diǎn)。）了解場效應(yīng)管內(nèi)部工作原理及性能特點(diǎn)。（2）掌握場效應(yīng)管的外部特性、主要參數(shù)。）掌握場效應(yīng)管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場效應(yīng)管基本放大電路的組成、工作原）了解場效應(yīng)管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點(diǎn)

3、。理及性能特點(diǎn)。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)和動態(tài)參數(shù)（）掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)和動態(tài)參數(shù)（ ）的分析方法。）的分析方法。omoiURRAu、2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)6場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)管）利用多數(shù)載流子的漂移運(yùn)動形成電流。 場效應(yīng)管FET(Field Effect Transistor)結(jié)型場效應(yīng)管JFET(Junction FET)絕緣柵場效應(yīng)管IGFET(Insulated Gate FET)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)動形成電流。2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)731 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 311 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)型場效應(yīng)管

4、的結(jié)構(gòu)及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖31結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號Gate柵極Source源極Drain 漏極箭頭方向表示柵源間PN結(jié)若加正向偏置電壓時(shí)柵極電流的實(shí)際流動方向ID實(shí)際流向結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu).avi一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)8P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖31結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號ID實(shí)際流向2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)9NDGSPP(a) UGS =0，溝道最寬圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖二、結(jié)型場效應(yīng)管的工

5、作原理二、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理),(DSGSDuufi 2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)10(b) UGS負(fù)壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖橫向電場作用：UGS溝道寬度 PN結(jié)耗盡層寬度2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)11(c) UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖DSPPUGSUGSoff夾斷電壓夾斷電壓2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)12DGSUDSUGSIDPP 0溝道預(yù)夾斷DGS(a)uGDUGSoff（預(yù)夾斷前）UDSID 0UGSPP 圖34 uDS對導(dǎo)電溝道的影響 uGD=UGSoff

6、（預(yù)夾斷時(shí)）縱向電場作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上寬下窄）2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)13由于夾斷點(diǎn)與源極間的溝道長度略有縮短，呈現(xiàn)的溝道電阻值也就略有減小，且夾斷點(diǎn)與源極間的電壓不變。DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDPP幾乎不變(b) uGDUGSoff（或uDSUGSoff預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。uGS0， uDS02022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)15圖33JFET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)2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS0VUGSoff0.5V漏極輸出特性曲線漏極輸出特

7、性曲線.avi2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)16 當(dāng)uDS很小時(shí)， uDS對溝道的影響可以忽略，溝道的寬度及相應(yīng)的電阻值僅受uGS的控制。輸出特性可近似為一組直線，此時(shí)，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(dāng)uDS較大時(shí)， uDS對溝道的影響就不能忽略，致使輸出特性曲線呈彎曲狀。2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)172.恒流區(qū)iD的大小幾乎不受uDS的控制。預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。uGDuGS-UGSoff）uGSUGSoff(1)當(dāng)UGSoffuGS0時(shí)，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關(guān)系， uGS對iD的控制能力很強(qiáng)。(2) u

8、GS固定，uDS增大，iD增大極小。2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)184.擊穿區(qū)隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓 uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。 當(dāng)UGSUGSoff時(shí)，溝道被全部夾斷，iD=0，故此區(qū)為截止區(qū)。3. 截止區(qū)2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)19二、轉(zhuǎn)移特性曲線二、轉(zhuǎn)移特性曲線2)1 (GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(式中：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為零。恒流區(qū)中：uGS0， iD02022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)20uGS/V012312345IDS

9、SUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)21uGS/ V0 1 2 312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/ V可變電阻區(qū)恒截止區(qū) 2V 1.5V 1VuDSuGSUGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS0VUGSoff0.5V從輸出特性曲線作轉(zhuǎn)移特性曲線示意圖轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線.avi2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)2232 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)柵極與溝道之間隔了一層很薄的絕緣體，其阻抗比JFET的

10、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稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)23MOSFETN溝道P溝道增強(qiáng)型 N-EMOSFET耗盡型增強(qiáng)型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分類二、分類2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)24321 絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)322 N溝道增強(qiáng)型溝道增

11、強(qiáng)型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理UGS=0，導(dǎo)電溝道未形成PN結(jié)(耗盡層)NNP型襯底DSG2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)25B(a) UGSUGSth，導(dǎo)電溝道已形成柵源電壓柵源電壓VGS對溝道的影響對溝道的影響.avi2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)27圖 uDS增大，溝道預(yù)夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)28圖39 uDS增大，溝道預(yù)夾斷時(shí)情況BUDSP型襯底UGSN+N+預(yù)夾斷2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)29圖 uDS增大，溝道預(yù)夾斷

12、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.avi2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)30二、輸出特性二、輸出特性(1)截止區(qū)uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)33三、轉(zhuǎn)移特性三、轉(zhuǎn)移特性(1)當(dāng)uGSUGSth時(shí)，iD 0，二者符合平方律關(guān)系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD02022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)34uGS/V032112345UGS thiD/mA圖37 NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線2022年4月21日星

13、期四模擬電子技術(shù)35323 N溝道耗盡型溝道耗盡型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIiID0表示uGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。 )(220GSoffoxnDULWCuI2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)36圖 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管的溝道形成BN導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底NUGS=0，導(dǎo)電溝道已形成2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)37圖310N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1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu2022年

14、4月21日星期四模擬電子技術(shù)38iDuGSUGSoff0(a)ID0圖310N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)DGSB2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)39324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(yīng)管的符號對比2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)40DSGBDSGBDSGBDSGBN溝道P溝道增強(qiáng)型N溝道P溝道耗盡型MOSFET圖311各種場效應(yīng)管的符號對比2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)41JFET：利用柵源電壓（ 輸入電壓）對耗盡層厚度的控制來改變導(dǎo)電溝道的

15、寬度，從而實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體表面感生電荷量的控制來改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實(shí)現(xiàn)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GSSDuGSiD2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)42iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth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溝圖312各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比(a)轉(zhuǎn)移特性N溝道：0DiP溝道：0Di2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)43圖312各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比uDSiD0線性線性可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)0

16、12345601231233456789結(jié)型P 溝耗盡型MOS P溝345601201231233456789結(jié)型N溝耗盡型 增強(qiáng)型MOS N溝UGS/VUGS/V增強(qiáng)型(b)輸出特性N溝道：0DiP溝道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)44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)BEUu0BCu)(GSthGSoffGSuuu)(

17、GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuuBJT與與FET工作狀態(tài)的對比工作狀態(tài)的對比2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)45場效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法場效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法1.先判斷是否處于先判斷是否處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)2.再判斷是否處于再判斷是否處于放大狀態(tài)放大狀態(tài))(NGSthGSoffGSDSuuuu溝道：)(:GSthGSoffGSuuuN溝道)(:GSthGSoffGS

18、uuuP溝道)(PGSthGSoffGSDSuuuu溝道：)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuu或或或或指導(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。2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)4633 場效應(yīng)管的參數(shù)和小信號模型場效應(yīng)管的參數(shù)和小信號模型 331 場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)1. 結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOSFET的主要參數(shù) (1)飽和漏極電流IDSS(ID0)： (2)夾斷電壓UGSoff：當(dāng)柵源電壓uGS=UGSoff時(shí)，iD=0。對應(yīng)uGS=0時(shí)的漏極電流。 2.增強(qiáng)型MOSFET的主要參數(shù)對增強(qiáng)型MOSF

19、ET來說，主要參數(shù)有開啟電壓UGSth。2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)473.輸入電阻RGS對結(jié)型場效應(yīng)管，RGS在1081012之間。對MOS管，RGS在10101015之間。通常認(rèn)為RGS 。 二、極限參數(shù)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=IDUDS2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)48三、交流參數(shù)三、交流參數(shù)1跨導(dǎo)gm)/(VmdudigCuGSDmDS對JFET和耗盡型MOS管2)1 (GSoffGSDSSDUuIi那么DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIU

20、uUIdudig2)1 (DQQGSDmIdudig2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)4922)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而對增強(qiáng)型MOSFET那么，對應(yīng)工作點(diǎn)Q的gm為DQDQoxnmkIILWCug22DQQGSDmIdudig2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)502.輸出電阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流區(qū)的rds可以用下式計(jì)算UA為厄爾利電壓。DQAdsIUr 2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)51),(DSGSDuufi 若輸入為正弦量，上式可改寫為dsdsgsmdUrUgI1通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，則33

21、2 場效應(yīng)管的低頻小信號模型場效應(yīng)管的低頻小信號模型gsmdUgI DSdsGSmDSDSDGSGSDDdurdugduuiduuidi12022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)52rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖313 場效應(yīng)管低頻小信號簡化模型dsdsgsmdUrUgI1gsmdUgI 2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)5334 場效應(yīng)管放大器場效應(yīng)管放大器341 場效應(yīng)管偏置電路場效應(yīng)管偏置電路偏置方式自偏壓方式混合偏置方式 確定直流工作點(diǎn)方法圖解法解析法 適宜 JFET、DMOSFET適宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET2022年4月21日

22、星期四模擬電子技術(shù)54 圖314場效應(yīng)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)2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)55一、圖解法一、圖解法SDGSRiu柵源回路直流負(fù)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工作點(diǎn)SR1Q2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)56圖315 (b)圖解法求混合偏置方式電路直流工作點(diǎn)SDDDGGGGSRiURRRu2122.混合偏置方式柵源回路直流負(fù)載線方程RDUDDRSuiRG2RG1SR120

23、22年4月21日星期四模擬電子技術(shù)57二、解析法二、解析法2)1 (GSoffGSDSSDUUIi已知電流方程及柵源直流負(fù)載線方程，聯(lián)立求解即可求得工作點(diǎn)。RDUDDRSuiRGVSDGSRiu2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)58 342場效應(yīng)管放大器分析場效應(yīng)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2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)59圖316 (b)共源放大器電路低頻小信號等效電路MRRRRGGGi0375. 1/213kRrRRDdsDo10/)

24、/(LDdsgsmoRRrUgU)(LDmiouRRgUUA2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)60uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm5mA/V圖318 (a)帶電流負(fù)反饋的放大電路例例 試畫出低頻小信號等效電路，并計(jì)算增益Au。2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)61圖3-18 (b) (c)帶電流負(fù)反饋放大電路的等效電路及簡化等效電路)/(LDdoRRIU)(1SdimgsmdRIUgUgIiSmmdURggI113 . 8)/(11LmLDSmmiouRgRRRggUUA2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)62C

25、2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V圖319 (a)共漏電路二、共漏放大器二、共漏放大器2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)63圖319 (b)共漏電路等效電路 UoRLRSSDIdgmUgsgmUi-Id(RSRL)/2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)641. 放大倍數(shù)Au )/(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI)/(LSdoRRIU iLmmdURggI1LmLmiLSdiouRgRgURRIUUA1)/(76. 0106 . 11021106 . 11023333UoRLRSSDIdgmUgs2022年4月21日

26、星期四模擬電子技術(shù)652.輸入電阻 MRRRRRGGGGi0375. 1/213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)66圖圖320計(jì)算共漏電路輸出電阻計(jì)算共漏電路輸出電阻Ro的電路的電路 3. 輸出電阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kUoRG31MRL10kUigm2mA/VIo2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)67圖320計(jì)算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路mSoogIUR1omomgsmSUgUgUgI)(4001021/1021/33mSogRR2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)682022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)69作作 業(yè)業(yè)3-13-33-43-53-73-82022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)70uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2022年4月21日星期四模擬電子技術(shù)71圖33JFET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)2V1