模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)場效應(yīng)晶體管及其基本放大電路

1、 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 (Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)是電是電壓型壓型 (或電場型或電場型)控制器件，利用輸入回路的電場效應(yīng)控制器件，利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路的電流，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而是來控制輸出回路的電流，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而是單極型晶體管。單極型晶體管。FET具有輸入電阻高具有輸入電阻高 、噪聲低、熱穩(wěn)、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成電路定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成電路中。本章主要介紹中。本章主要介紹FET的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及FET基本放大電路的分析方法。基本放大電路的分析方法。

2、 本章簡介本章簡介3 3.1 .1 結(jié)結(jié)型場效應(yīng)晶體管型場效應(yīng)晶體管3 3. .3 3 場效應(yīng)晶體管放大電路場效應(yīng)晶體管放大電路3 3. .2 2 絕緣絕緣柵型場效應(yīng)晶體管柵型場效應(yīng)晶體管3 場效應(yīng)晶體管及其放大電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3.1.1 3.1.1 JFETJFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2.2.工作原理工作原理3.1.2 3.1.2 N N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的特性曲線溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管的特性曲線 1.1.輸出特性輸出特性 2.2.轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容FETFET結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFETJFETN溝道(N-JFET)N溝道(N-JFET)

3、P溝道(P-JFET)P溝道(P-JFET)絕緣柵型效應(yīng)管絕緣柵型效應(yīng)管(MOSFET應(yīng)用最廣)(MOSFET應(yīng)用最廣)耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型N溝道(D-NMOSFET)N溝道(D-NMOSFET)P溝道(D-PMOSFET)P溝道(D-PMOSFET)N溝道(E-NMOSFET)N溝道(E-NMOSFET)P溝道(E-PMOSFET)P溝道(E-PMOSFET) 場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（、柵極（g）、漏極（）、漏極（d），），對應(yīng)于晶體管的對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有；有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于可變電

4、阻區(qū)，對應(yīng)于晶體晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。g與與s、d均均無電接觸無電接觸uGS=0,導(dǎo)電溝導(dǎo)電溝道已存在道已存在uGS=0,無導(dǎo)電無導(dǎo)電溝道存在溝道存在導(dǎo)電溝道中多數(shù)載流導(dǎo)電溝道中多數(shù)載流子為電子子為電子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)與符號a) N-JFET結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號dsg耗盡層+P+PNgdsb) P-JFET結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號dsg耗盡層+N+NPgds導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道漏極源極柵極漏極源極柵極箭頭方向表示柵箭頭方向表示柵-源極接正向偏置電壓源極接正向偏置電壓時(shí)，柵極電流的方向是由時(shí)，柵極電流的方向是由P指向

5、指向N 3.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2. 工作原理(1) uDS=0, uGS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響 導(dǎo)電溝道已在導(dǎo)電溝道已在, 耗盡層最窄耗盡層最窄, 導(dǎo)導(dǎo)電溝道最寬。電溝道最寬。| uGS| 耗盡層變耗盡層變寬寬, 導(dǎo)電溝道變導(dǎo)電溝道變窄。窄。導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道被夾斷。被夾斷。夾斷電壓夾斷電壓UGS(off) : 導(dǎo)電溝道剛好消失時(shí)柵導(dǎo)電溝道剛好消失時(shí)柵-源極所加電壓源極所加電壓 uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？必須加負(fù)電壓？3.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2. 工作原理(2) 0uG

6、S UGS(off) （為恒定值）, uDS對對iD的影的影響響 uGDUGS（off）溝道中沒有任何溝道中沒有任何一處被夾斷，一處被夾斷，uDS增大，增大，iD增大。增大。uGD=UGS（off）溝道在溝道在d端被夾端被夾斷斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。uGDUGS(off)飽和漏飽和漏電流電流3.2.1 3.2.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFETMOSFET1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2.2.工作原理工作原理3.3.特性曲線與電流方程特性曲線與電流方程3.2.2 3.2.2 耗盡型耗盡型MOSFETMOSFET 1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2.2.工作原理工作原理3.3.特性曲線與電流方程特性曲線與電流方程本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容3.

7、2.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)與符號漏極源極柵極dsgBb) 電路符號+N+Nsgd襯底引線BP型硅襯底2SiO絕緣層耗盡層a) 結(jié)構(gòu)示意圖圖3-5 N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)圖及符號高摻雜高摻雜3.2.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理（1） 導(dǎo)電溝道的形成（s與B相連，uDS=0)1） uGS=0, iD=0，導(dǎo)電溝道未形成2) uGS產(chǎn)生產(chǎn)生gs垂直電場垂直電場,吸引電子吸引電子,排斥空穴排斥空穴,形成形成耗盡層耗盡層.因因 uGS 較小較小, 導(dǎo)電導(dǎo)電溝道未形成溝道未形成, iD=0.3) uGSUGS(th)襯底表面形成反襯底表面形成反型層將兩個(gè)型層將兩個(gè)N+區(qū)

8、連通區(qū)連通, 導(dǎo)電溝導(dǎo)電溝道形成道形成.開啟電壓開啟電壓3.2.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理 （2） 導(dǎo)電溝道形成后uDS對iD的影響（uGSUGS(th)uGDUGS（th）溝道中沒有任何溝道中沒有任何一處被夾斷，一處被夾斷，uDS增大，增大，iD增大。增大。uGD=UGS（th）溝道在溝道在d端被夾端被夾斷斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。uGDUGS（th）夾斷區(qū)向源極延夾斷區(qū)向源極延伸伸,uDS增大增大,iD幾幾乎不變乎不變,僅決定于僅決定于uGS 。3.2.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET3. 特性曲線與電流方程2GSDDOGS(th)1uiIU恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性:DSGSGS(th)uuU3

9、.2.2 耗盡型耗盡型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)與符號實(shí)線表示實(shí)線表示uGS=0時(shí)，時(shí)，導(dǎo)電溝道已存在導(dǎo)電溝道已存在小到一定小到一定值才夾斷值才夾斷3.2.2 耗盡型耗盡型MOSFET2. 工作原理uuGSUGS(off) ,溝道完全被夾斷溝道完全被夾斷, iD=0夾斷區(qū)。夾斷區(qū)。u當(dāng)當(dāng)uGSUGS(off) 且為確定值且為確定值, uDS對對iD的影響的影響:0uDSuGS-UGS(off)恒流區(qū)恒流區(qū), iD的趨于飽和的趨于飽和,不隨不隨uDS而變而變.3.2.2 耗盡型耗盡型MOSFET3. 特性曲線與電流方程 耗盡型耗盡型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0時(shí)均可導(dǎo)時(shí)均可導(dǎo)

10、通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在絕緣層的存在，在uGS0時(shí)仍保持時(shí)仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。間電阻非常大的特點(diǎn)。2GSDDSSGS(off )1uiIU恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性方程恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性方程與與JFET完全相同完全相同MOS管的特性總結(jié)：N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管夾斷夾斷電壓電壓DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi時(shí)的為式中在恒流區(qū)時(shí)，2GSDDSSGS(off )1uiIU恒流區(qū): DSSGSD0Iui為時(shí)的 值P溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管dsgBP溝道耗盡型

11、溝道耗盡型MOS管管dsgBPMOSFET外加的外加的uDS必須是負(fù)值，增強(qiáng)型必須是負(fù)值，增強(qiáng)型PMOSFET的的開啟電壓也是負(fù)值。箭頭向外表示實(shí)際的電流方向?yàn)榱鏖_啟電壓也是負(fù)值。箭頭向外表示實(shí)際的電流方向?yàn)榱鞒雎O，與通常的假定正好相反出漏極，與通常的假定正好相反 工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增強(qiáng)型絕緣柵型，溝道，溝道結(jié)型場效應(yīng)管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？

12、uGS0才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ uGS0才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？才工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ 3.2.3 各種各種FET特性比較及使用注意事項(xiàng)特性比較及使用注意事項(xiàng)3.2.4 FET的主要參數(shù)及低頻小信號等效電路模型的主要參數(shù)及低頻小信號等效電路模型1.主要參數(shù)直流參數(shù)：GS(off )UGS(th)UDSSIGSR交流參數(shù)：GSDSdsDContdduuriDSDmGSContuigugsCgdC 極限參數(shù)：DMIDMP(BR)DSU(BR)GSU3.2.4 FET的主要參數(shù)及低頻小信號等效電路模型的主要參數(shù)及低頻小信號等效電路模

13、型2.低頻小信號等效電路模型及參數(shù)求取DGSDS,if uuDSQGSQDDDGSDSGSDSdddUUiiiuuuudmgsdsds1Ig UUrmDSS DQGS off2 (D-MOSFET and JFET) gIIUmDODQGS th2 (E-MOSFET)gIIU3.3.1 3.3.1 共源放大電路共源放大電路1.1.自給偏壓共源放大電路自給偏壓共源放大電路 2.2.分壓式偏置共源放大電路分壓式偏置共源放大電路3.3.2 3.3.2 共漏放大電路共漏放大電路 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容FET放大電路FET放大電路偏置電路偏置電路自給偏壓:適于結(jié)型和耗盡型MOSFET自給偏壓:適于結(jié)型和耗盡

14、型MOSFET分壓式偏壓:適于所有類型MOSFET分壓式偏壓:適于所有類型MOSFETGSQUDQIDSQUG0iBJT：發(fā)射極：發(fā)射極e、基極、基極b、集電極、集電極c，共射，共射CE、共集、共集CC、共基、共基CB FET：源極：源極s、 柵極柵極g、漏極、漏極d， 共源共源CS、共漏、共漏CD、共柵、共柵CG3.3.1 共源放大電路共源放大電路1.自給偏壓共源放大電路：由N-JFET構(gòu)成（1）靜態(tài)分析G0i恒流區(qū)工作條件：GSQGQSQDQsUUUIR 2GSQDQDSSGS(off )1UIIUDSQDDDQdsUVIRRDQIGSQU和DSQUGS(off )GS0UuDSGSGS(

15、off )uuUDDSSiI3.3.1 共源放大電路共源放大電路1.自給偏壓共源放大電路 （2）動(dòng)態(tài)分析.mgsLoddLumL.igsgs(/)g URUIRRAg RUUU iigiURRIodRRLdL/RRR 【例3-1】 gRDiLR2CDDVsR1CsCdgsDidRDSuOu10k10k2k10M( 18V)GS(off)4V UDSS4mAI3GSQDQsDQ22GSQGSQ3DQDSSGS(off )2 1014 1014UIRIUUIIU DQ1GSQ1(1mA,2V)IU DQ2GSQ2(4mA,8V)IU 合理不合理DSQDDDQds18 1102 V6VUVIRR m

16、DSSDQGS(off )224 1 mS1mS4gIIU .umdL(/)1 55AgRR ig10MRRod10kRR3.3.1 共源放大電路共源放大電路2.分壓式偏置共源放大電路： 由E-NMOSFET構(gòu)成（1）靜態(tài)分析g1GQADDg1g2RUUVRR圖3-17 分壓式偏置共源放大電路及其直流通路b) 直流通路DQIDSQUg1RDDVsRdgsdRg3Rg2RGSQUAa) 共源放大電路g1RDiLR2CDDVsR1CsCdgsDidRIuDSuOug3Rg2RASQDQsUIRg1GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUVIRRR2GSQDQDOGS(th)1UIIUDSQDDDQ

17、dsUVIRR3.3.1 共源放大電路共源放大電路2.分壓式偏置共源放大電路 （2）動(dòng)態(tài)分析iig3g1g2i/URRRRI.oddLumL.igs(/) UIRRAg RUUodRRmDODQGS th2 (E-MOSFET)gIIU3.3.2 共漏放大電路共漏放大電路（1）靜態(tài)分析g1GSQGQSQDDDQsg1g2RUUUVIRRR2GSQDQDOGS(th)1UIIUDSQDDDQsUVIR3.3.2 共漏放大電路共漏放大電路（2）動(dòng)態(tài)分析求增益及輸入電阻.oodsLmLu.gsomLigsdsL(/)1(/)UUIRRg RAUUg RUUIRRiig3g1g2i/URRRRImL1 若g R.u1A輸入電阻大輸入電阻大3.3.2 共漏放大電路共漏放大電路（2）動(dòng)態(tài)分析求輸出電阻mgsg UdILRssRgdg3Rg1RiUoU+-gsUg2Rgsgsooodmgsm1 UUURIIg Ugooossom1/URRRRIg輸出電阻小輸出電阻小【例3-2】 GS(th)2VUDO1mAIg1GSQDDDQsg1g22GSQDQDOGS(th)1RUVIRRRUIIUDQ1GSQ1(6.562mA,3.124V) IUDQ2GSQ2(2.439mA,5.122V)IU合理不合理DSQDDDQs7.122VUVIRmDODQGS(th)21.562mSgIIUg1