第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路課件

第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路內(nèi)容導(dǎo)航3.0教學(xué)基本要求3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)3.4場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路內(nèi)容導(dǎo)航3.0教學(xué)基本要求3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.2教學(xué)基本要求掌握:單極型半導(dǎo)體三極管的外特性；共源、共漏放大電路的工作原理，靜態(tài)工作點(diǎn)估算及用簡(jiǎn)化小信號(hào)模型電路分析電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。熟悉:單極型半導(dǎo)體三極管的工作原理，主要參數(shù)及使用方法；共源、共漏放大電路的主要特點(diǎn)和用途。教學(xué)基本要求掌握:單極型半導(dǎo)體三極管的外特性；共源、共漏放大3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管是一種由輸入信號(hào)電壓來(lái)控制其電流大小的半導(dǎo)體三極管，所以是電壓控制器件。場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道MOS型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種由輸入信號(hào)電壓來(lái)場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.輸入端基本上不取電流，一次輸入電阻非常高，一般可達(dá)108~1015；2.具有噪聲低，受溫度、輻射影響小，制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于集成電路中。3.場(chǎng)效應(yīng)管都是僅由一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，故又稱(chēng)為單極型三極管。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.輸入端基本上不取電流，一次輸入電阻非常3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的結(jié)構(gòu)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來(lái)控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結(jié)正偏或正偏時(shí)柵極電流方向。3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.1.2JFET的工作原理和特性曲線(xiàn)

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，在柵極與源極之間加負(fù)電，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受uGS的控制。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，極性相反，溝道中的多子為空穴PN結(jié)N溝道3.1.2JFET的工作原理和特性曲線(xiàn)N溝道場(chǎng)效應(yīng)

當(dāng)uGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減?。籾GS更負(fù)，溝道更窄，iD更?。恢敝翜系辣缓谋M層全部覆蓋，溝道被夾斷，iD≈0。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓uGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off)。一、uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響當(dāng)uGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝二、uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

在柵源間加電壓uGS＞UGS(off)，漏源間加電壓uDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為uGD=uGS-uDS，比源端耗盡層所受的反偏電壓uGS大,使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故uDS對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。

隨uDS增大，這種不均勻性越明顯。當(dāng)uDS增加到使uGD=uGS-uDS=UGS(off)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)，當(dāng)uDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要uDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。二、uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響在柵源間加電壓JFET伏安特性曲線(xiàn)一般情況下，夾斷區(qū)僅占溝道長(zhǎng)度的很小部分，因此UDS的增大而引起夾斷點(diǎn)的移動(dòng)可忽略，夾斷點(diǎn)到源極間的溝道長(zhǎng)度可以認(rèn)為近似不變，同時(shí)，夾斷點(diǎn)到源極間的電壓又為一定值，所以可近似認(rèn)為ＩD是不隨UDS而變化的恒值。根據(jù)管子的工作狀態(tài)，可將輸出特性曲線(xiàn)族分為四個(gè)區(qū)域：uuiJFET伏安特性曲線(xiàn)一般情況下，夾斷區(qū)僅占溝道長(zhǎng)度uui（1）可變電阻區(qū)是uDS較小，管子尚未預(yù)夾斷時(shí)的工作區(qū)域。虛線(xiàn)為不同uGS是預(yù)夾斷點(diǎn)的軌跡，故虛線(xiàn)上各點(diǎn)uGD=UGS(off)，則虛線(xiàn)上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的uDS=uGS-UGS(off)。2、改變uGS時(shí)，特性曲線(xiàn)斜率變化，因此管子漏極欲源極之間可以看成一個(gè)由uGS控制的線(xiàn)性電阻，即壓控電阻。uGS愈負(fù),特性曲線(xiàn)斜率愈小,等效電阻愈大。特點(diǎn)：1、iD幾乎與uDS成線(xiàn)性關(guān)系，管子相當(dāng)于線(xiàn)性電阻。uui（1）可變電阻區(qū)是uDS較小，管子尚未預(yù)夾斷時(shí)uui（2）恒流區(qū)（飽和區(qū)）特性曲線(xiàn)近似水平的部分，它是JFET預(yù)夾斷后所對(duì)應(yīng)的工作區(qū)域。特點(diǎn)：1、輸出電流iD基本上不受輸出電壓uDS的影響，僅取決于uGS，故特性曲線(xiàn)是一族近乎平行于uDS軸的水平線(xiàn)。2、輸入電壓uGS控制輸出電流uui（2）恒流區(qū)（飽和區(qū)）特性曲線(xiàn)近似水平的部分，uui（3）擊穿區(qū)特性曲線(xiàn)上翹部分。uDS>U(BR)DS，管子不允許工作在這個(gè)區(qū)域。（4）夾斷區(qū)（截止區(qū)）輸出特性曲線(xiàn)靠近橫軸的部分。它是發(fā)生在uGS≤UGS（off）時(shí)，管子的導(dǎo)電溝道完全被夾斷。特點(diǎn)：iD≈0

uui（3）擊穿區(qū)特性曲線(xiàn)上翹部分。uDS>U(BR三、轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)指JFET漏源電壓uDS一定時(shí)，輸出電流iD與輸入電壓uGS的關(guān)系曲線(xiàn)，即下圖為一條uDS=10V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)三、轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)指JFET漏源電壓uDS一定時(shí)當(dāng)管子工作在恒流區(qū)，uDS對(duì)iD的影響很小。IDSS是在uGS=0，uDS>

|UGS(off)|時(shí)的漏極電流實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)管子工作在恒流區(qū)，iD可近似表示為：當(dāng)管子工作在恒流區(qū)，uDS對(duì)iD的影響很小。IDSS是在uG3.1.3

主要參數(shù)⒈夾斷電壓Up⒉飽和漏極電流IDSS⒊最大漏、源電壓U(BR)DS⒋最大柵、源電壓U(BR)GS⒌最大耗散功率PDM⒍直流輸入電阻RGS⒎低頻互導(dǎo)gm當(dāng)uDS為某一確定值時(shí)，漏極電流的微小變化量與引起它變化的柵、源電壓的微小變化量之比稱(chēng)為gm。gm是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)，單位為mS。當(dāng)UP≤uGS≤0）時(shí)，gm的近似估算公式為

3.1.3

主要參數(shù)⒈夾斷電壓Up場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管又稱(chēng)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管是一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109.它也有N溝道和P溝道兩種，其中每類(lèi)又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。增強(qiáng)型：uGS=0時(shí)，漏源之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，在uDS作用下無(wú)iD。耗盡型：uGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道， 在uDS作用下有iD。3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型(IGFET3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)N溝道增強(qiáng)型MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S，在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個(gè)電極作為G。3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)二、工作原理與特性曲線(xiàn)(a)uGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。

uGS=0，iD=0(b)當(dāng)0＜uGS＜UGS(th)(開(kāi)啟電壓)時(shí)，

但由于電場(chǎng)強(qiáng)度有限，數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能形成漏極電流iD。二、工作原理與特性曲線(xiàn)(a)uGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩(c)進(jìn)一步增加uGS，當(dāng)uGS＞UGS(th)時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成溝道。如果此時(shí)uDS>0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱(chēng)為反型層。隨著uGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，iD增加把開(kāi)始形成反型層的uGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓UGS(th)。UDS這時(shí)，若在漏源間加電壓uDS，就能產(chǎn)生漏極電流iD，即管子開(kāi)啟。uGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣uDS

電壓作用下，iD

越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓uGS對(duì)輸出電流iD

的控制。(c)進(jìn)一步增加uGS，當(dāng)uGS＞UGS(th)時(shí)，由于此時(shí)把開(kāi)始形成反型層的uGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓UGS(th)。UDS這時(shí)，若在漏源間加電壓uDS，就能產(chǎn)生漏極電流iD，即管子開(kāi)啟。uGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣uDS

電壓作用下，iD

越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓uGS對(duì)輸出電流iD

的控制。把開(kāi)始形成反型層的uGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓UGSN溝道增強(qiáng)型MOSFET特性曲線(xiàn)輸出特性轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)UuuuuuuuiuuiN溝道增強(qiáng)型MOSFET特性曲線(xiàn)輸出特性轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)Uuuu3.2.2N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示，制造時(shí)在柵極下方的絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。無(wú)須加開(kāi)啟電壓（uGS=0）。3.2.2N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSF當(dāng)uGS＞0時(shí)，將使iD進(jìn)一步增加。uGS＜0時(shí)，隨著uGS的減小iD逐漸減小，直至iD=0。對(duì)應(yīng)iD=0的uGS值為夾斷電壓UGS(off)。轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)輸出特性曲線(xiàn)當(dāng)uGS＞0時(shí)，將使iD進(jìn)一步增加。uGS＜0時(shí)，3.2.3P溝道MOSFET簡(jiǎn)介P溝道MOS管和N溝道MOS管的主要區(qū)別在于作為襯底的半導(dǎo)體材料的類(lèi)型不同，PMOS管是以N型硅作為襯底，而漏極和源極從P區(qū)引出，形成的反型層為P型，相應(yīng)的溝道為P型溝道。對(duì)于耗盡型PMOS管，在二氧化硅絕緣層中摻入的是負(fù)離子。使用時(shí)，uGS的極性與NMOS管相反。增強(qiáng)型PMOS管的開(kāi)啟電壓UGS（th）是負(fù)值，而耗盡型的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)是正值。3.2.3P溝道MOSFET簡(jiǎn)介P溝道MOS3.3

場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、性能參數(shù)1.開(kāi)啟電壓UGS(th)

開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。2.夾斷電壓UGS(off)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UGS(pff)時(shí),漏極電流為零。3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)3.3.1場(chǎng)效應(yīng)3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管,當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。4.直流輸入電阻RGS結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管,RGS約是109～1015Ω。5.低頻跨導(dǎo)gm

：表示uGS對(duì)iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上，gm

是曲線(xiàn)在某點(diǎn)上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為S或mS。3.飽和漏極電流IDSS4.直流輸入電阻RGS5.低頻跨導(dǎo)二、極限參數(shù)1、最大漏極電流IDM是指管子在工作時(shí)允許的最大漏極電流。2、最大耗散功率PDMPDM=uDSiD，它受管子的最高工作溫度的限制。3、漏源擊穿電壓U（BR）DS漏、源極間所能承受的最大電壓。4、柵源擊穿電壓U（BR）GS漏、源極間所能承受的最高電壓。二、極限參數(shù)1、最大漏極電流IDM2、最大耗散功率PDM3、3.3.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)一、特點(diǎn)和選管原則

1、電壓控制器件，柵極基本上不取電流，輸入電阻高。所以，常用在那些只允許信號(hào)源是取小電流的高精度、高靈敏度的測(cè)量?jī)x器、儀表等。2、參與導(dǎo)電的只是多子。所以不易受溫度、輻射等外界因素影響，用在環(huán)境條件變化較大的場(chǎng)合。3、噪聲較小。對(duì)于低噪聲、穩(wěn)定性要求高的線(xiàn)性放大電路宜采用。4、制造工藝簡(jiǎn)單，所占的芯片面積小，功耗很小，使用于大規(guī)模集成。5、源極和漏極結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可以互換使用。3.3.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)一、特點(diǎn)和選管原二、使用注意事項(xiàng)1、使用時(shí)，各極電源極性應(yīng)按規(guī)定接入;各極限參數(shù)規(guī)定的數(shù)值絕對(duì)不能超過(guò)。2、MOS管的襯底和源極通常連接在一起，若需分開(kāi)，則襯源間的電壓要保證襯源間PN結(jié)反向偏置。3、貯存時(shí)，應(yīng)將管子的三個(gè)電極短路；把管子焊接到電路上或取下時(shí)，應(yīng)先用導(dǎo)線(xiàn)將各電極繞在一起；焊接管子，最好斷電利用余熱焊接。4、JFET可在柵源極開(kāi)路狀態(tài)下貯存，用萬(wàn)用表檢查；MOS管必須用測(cè)試儀，良好接地。二、使用注意事項(xiàng)1、使用時(shí)，各極電源極性應(yīng)按規(guī)定接入;各極限

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，需要有合適的柵極電壓，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線(xiàn)性失真。通常偏置的形式有兩種。1.自偏壓電路自偏壓電路適用于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，與晶體管的射極偏置電路相似。2.分壓式偏置電路能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，而且適用于由各種類(lèi)型FET構(gòu)成的放大電路。

3.4場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，需因Rg上沒(méi)有壓降，IG≈0，所以s極直流電位與地相等。依靠電流ID在R上的電壓降，使電路自行提供柵極偏壓.UGS=-IDR。為減少R對(duì)放大倍數(shù)的影響，在R兩端同樣也并聯(lián)一個(gè)足夠大的旁路電容C，稱(chēng)為源極旁路電容。一、自偏壓電路耗盡型NMSFET的柵偏壓是依靠自身電流ID產(chǎn)生的，故稱(chēng)為自偏壓電路。3.4.1FET的偏置電路及靜態(tài)分析因Rg上沒(méi)有壓降，IG≈0，一、自偏壓電路自偏壓電路求解方程式：則：自偏壓電路求解方程式：則：二、分壓式偏置電路柵極電壓UG＝Rg2UDD／(Rgl+Rg2)

電阻R上的壓降US=IDR靜態(tài)時(shí)柵源電壓為

UGS=UG-US=-(IDR-Rg2UDD/(Rg1+Rg2))

上式稱(chēng)為分壓式偏置電路的偏置線(xiàn)方程。這種偏壓電路適用于增強(qiáng)型管子的電路。二、分壓式偏置電路柵極電壓分壓式自偏壓電路設(shè)UGS=0，則：則柵偏壓而分壓式自偏壓電路設(shè)UGS=0，則：則柵偏壓而3.4.2FET放大電路的小信號(hào)模型分析法一、FET的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型FET是非線(xiàn)性器件，但當(dāng)工作信號(hào)幅值足夠小、且工作在恒流區(qū)時(shí)，也可用線(xiàn)性電路——小信號(hào)模型來(lái)代替。3.4.2FET放大電路的小信號(hào)模型分析法一、FET的簡(jiǎn)化二、用小信號(hào)模型法分析FET放大電路1、共源極放大電路共源極放大電路的輸出電壓與輸入電壓反相；輸入電阻高，輸出電阻主要由Rd決定.二、用小信號(hào)模型法分析FET放大電路1、共源極放大電路第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路課件第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路課件2、共漏極放大電路與三極管共集電極電路對(duì)應(yīng)直流分析UG=UDDRg2/(Rg1+Rg2)UGS=UG－US=UG－IDRID=IDSS[1－(UGS/UGS(off))]2UDS=UDD－IDR由此可以解出UGS、ID和UDS。直流通路：2、共漏極放大電路與三極管共集電極電路對(duì)應(yīng)直流分析直流通路：交流分析：電壓放大倍數(shù)：輸入電阻：當(dāng)Rg>>（Rg1∥Rg2）時(shí)，Ri≈Rg交流分析：電壓放大倍數(shù)：輸入電阻：當(dāng)Rg>>（Rg1∥Rg2小結(jié)1.

場(chǎng)效應(yīng)管是除雙極型晶體管之外的另一種常用半導(dǎo)體器件。與晶體管相比，二者不同之處在于：晶體管是電流控制器件，有兩種載流子參與導(dǎo)電，屬于雙極型器件；而場(chǎng)效應(yīng)管屬于單極型器件，只依靠一種載流參與導(dǎo)電，是電壓控制器件，即用柵極電壓UGS去控制輸出電流ID，其電壓控制作用表現(xiàn)為ID=gmUGS。2.

雖然場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管這兩種器件的控制原理有所不同，但通過(guò)類(lèi)比可發(fā)現(xiàn)，將晶體管的三個(gè)極b、e、c與場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)極g、s、d相對(duì)應(yīng)，就能得到形式極為相似的場(chǎng)效應(yīng)管放大電路。小結(jié)1.

場(chǎng)效應(yīng)管是除雙極型晶體管之外的另一種常用半導(dǎo)體器小結(jié)3.

在場(chǎng)效應(yīng)管放大電路中，UDS的極性決定于溝道性質(zhì)，N(溝道)為正，P(溝道)為負(fù)；不同類(lèi)型的場(chǎng)效應(yīng)管，對(duì)偏置電壓的極性有不同要求：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的UGS與UDS的極性相反，增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管UGS與UDS的極性相同，耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)UGS的極性可正、可負(fù)、可為零。4.

靜態(tài)分析有圖解法和計(jì)算法兩種。計(jì)算法則是利用轉(zhuǎn)移特性的近似公式與偏置線(xiàn)方程（UGS=f(ID)的關(guān)系式）聯(lián)立求解即可得靜態(tài)值。5.

動(dòng)態(tài)分析是利用微變等效電路進(jìn)行分析，分析方法與三極管放大電路相同。小結(jié)3.

在場(chǎng)效應(yīng)管放大電路中，UDS的極性決定于溝道性質(zhì)第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路內(nèi)容導(dǎo)航3.0教學(xué)基本要求3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)3.4場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路內(nèi)容導(dǎo)航3.0教學(xué)基本要求3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.2教學(xué)基本要求掌握:單極型半導(dǎo)體三極管的外特性；共源、共漏放大電路的工作原理，靜態(tài)工作點(diǎn)估算及用簡(jiǎn)化小信號(hào)模型電路分析電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。熟悉:單極型半導(dǎo)體三極管的工作原理，主要參數(shù)及使用方法；共源、共漏放大電路的主要特點(diǎn)和用途。教學(xué)基本要求掌握:單極型半導(dǎo)體三極管的外特性；共源、共漏放大3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管是一種由輸入信號(hào)電壓來(lái)控制其電流大小的半導(dǎo)體三極管，所以是電壓控制器件。場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道MOS型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種由輸入信號(hào)電壓來(lái)場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.輸入端基本上不取電流，一次輸入電阻非常高，一般可達(dá)108~1015；2.具有噪聲低，受溫度、輻射影響小，制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于集成電路中。3.場(chǎng)效應(yīng)管都是僅由一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，故又稱(chēng)為單極型三極管。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.輸入端基本上不取電流，一次輸入電阻非常3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的結(jié)構(gòu)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來(lái)控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結(jié)正偏或正偏時(shí)柵極電流方向。3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.1.2JFET的工作原理和特性曲線(xiàn)

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，在柵極與源極之間加負(fù)電，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受uGS的控制。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，極性相反，溝道中的多子為空穴PN結(jié)N溝道3.1.2JFET的工作原理和特性曲線(xiàn)N溝道場(chǎng)效應(yīng)

當(dāng)uGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小；uGS更負(fù)，溝道更窄，iD更??；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，iD≈0。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓uGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off)。一、uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響當(dāng)uGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝二、uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

在柵源間加電壓uGS＞UGS(off)，漏源間加電壓uDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為uGD=uGS-uDS，比源端耗盡層所受的反偏電壓uGS大,使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故uDS對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。

隨uDS增大，這種不均勻性越明顯。當(dāng)uDS增加到使uGD=uGS-uDS=UGS(off)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)，當(dāng)uDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要uDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。二、uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響在柵源間加電壓JFET伏安特性曲線(xiàn)一般情況下，夾斷區(qū)僅占溝道長(zhǎng)度的很小部分，因此UDS的增大而引起夾斷點(diǎn)的移動(dòng)可忽略，夾斷點(diǎn)到源極間的溝道長(zhǎng)度可以認(rèn)為近似不變，同時(shí)，夾斷點(diǎn)到源極間的電壓又為一定值，所以可近似認(rèn)為ＩD是不隨UDS而變化的恒值。根據(jù)管子的工作狀態(tài)，可將輸出特性曲線(xiàn)族分為四個(gè)區(qū)域：uuiJFET伏安特性曲線(xiàn)一般情況下，夾斷區(qū)僅占溝道長(zhǎng)度uui（1）可變電阻區(qū)是uDS較小，管子尚未預(yù)夾斷時(shí)的工作區(qū)域。虛線(xiàn)為不同uGS是預(yù)夾斷點(diǎn)的軌跡，故虛線(xiàn)上各點(diǎn)uGD=UGS(off)，則虛線(xiàn)上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的uDS=uGS-UGS(off)。2、改變uGS時(shí)，特性曲線(xiàn)斜率變化，因此管子漏極欲源極之間可以看成一個(gè)由uGS控制的線(xiàn)性電阻，即壓控電阻。uGS愈負(fù),特性曲線(xiàn)斜率愈小,等效電阻愈大。特點(diǎn)：1、iD幾乎與uDS成線(xiàn)性關(guān)系，管子相當(dāng)于線(xiàn)性電阻。uui（1）可變電阻區(qū)是uDS較小，管子尚未預(yù)夾斷時(shí)uui（2）恒流區(qū)（飽和區(qū)）特性曲線(xiàn)近似水平的部分，它是JFET預(yù)夾斷后所對(duì)應(yīng)的工作區(qū)域。特點(diǎn)：1、輸出電流iD基本上不受輸出電壓uDS的影響，僅取決于uGS，故特性曲線(xiàn)是一族近乎平行于uDS軸的水平線(xiàn)。2、輸入電壓uGS控制輸出電流uui（2）恒流區(qū)（飽和區(qū)）特性曲線(xiàn)近似水平的部分，uui（3）擊穿區(qū)特性曲線(xiàn)上翹部分。uDS>U(BR)DS，管子不允許工作在這個(gè)區(qū)域。（4）夾斷區(qū)（截止區(qū)）輸出特性曲線(xiàn)靠近橫軸的部分。它是發(fā)生在uGS≤UGS（off）時(shí)，管子的導(dǎo)電溝道完全被夾斷。特點(diǎn)：iD≈0

uui（3）擊穿區(qū)特性曲線(xiàn)上翹部分。uDS>U(BR三、轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)指JFET漏源電壓uDS一定時(shí)，輸出電流iD與輸入電壓uGS的關(guān)系曲線(xiàn)，即下圖為一條uDS=10V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)三、轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)指JFET漏源電壓uDS一定時(shí)當(dāng)管子工作在恒流區(qū)，uDS對(duì)iD的影響很小。IDSS是在uGS=0，uDS>

|UGS(off)|時(shí)的漏極電流實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)管子工作在恒流區(qū)，iD可近似表示為：當(dāng)管子工作在恒流區(qū)，uDS對(duì)iD的影響很小。IDSS是在uG3.1.3

主要參數(shù)⒈夾斷電壓Up⒉飽和漏極電流IDSS⒊最大漏、源電壓U(BR)DS⒋最大柵、源電壓U(BR)GS⒌最大耗散功率PDM⒍直流輸入電阻RGS⒎低頻互導(dǎo)gm當(dāng)uDS為某一確定值時(shí)，漏極電流的微小變化量與引起它變化的柵、源電壓的微小變化量之比稱(chēng)為gm。gm是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)，單位為mS。當(dāng)UP≤uGS≤0）時(shí)，gm的近似估算公式為

3.1.3

主要參數(shù)⒈夾斷電壓Up場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管又稱(chēng)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管是一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109.它也有N溝道和P溝道兩種，其中每類(lèi)又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。增強(qiáng)型：uGS=0時(shí)，漏源之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，在uDS作用下無(wú)iD。耗盡型：uGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道， 在uDS作用下有iD。3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型(IGFET3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)N溝道增強(qiáng)型MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S，在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個(gè)電極作為G。3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)二、工作原理與特性曲線(xiàn)(a)uGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。

uGS=0，iD=0(b)當(dāng)0＜uGS＜UGS(th)(開(kāi)啟電壓)時(shí)，

但由于電場(chǎng)強(qiáng)度有限，數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能形成漏極電流iD。二、工作原理與特性曲線(xiàn)(a)uGS=0時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩(c)進(jìn)一步增加uGS，當(dāng)uGS＞UGS(th)時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成溝道。如果此時(shí)uDS>0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱(chēng)為反型層。隨著uGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，iD增加把開(kāi)始形成反型層的uGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓UGS(th)。UDS這時(shí)，若在漏源間加電壓uDS，就能產(chǎn)生漏極電流iD，即管子開(kāi)啟。uGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣uDS

電壓作用下，iD

越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓uGS對(duì)輸出電流iD

的控制。(c)進(jìn)一步增加uGS，當(dāng)uGS＞UGS(th)時(shí)，由于此時(shí)把開(kāi)始形成反型層的uGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓UGS(th)。UDS這時(shí)，若在漏源間加電壓uDS，就能產(chǎn)生漏極電流iD，即管子開(kāi)啟。uGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣uDS

電壓作用下，iD

越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓uGS對(duì)輸出電流iD

的控制。把開(kāi)始形成反型層的uGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓UGSN溝道增強(qiáng)型MOSFET特性曲線(xiàn)輸出特性轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)UuuuuuuuiuuiN溝道增強(qiáng)型MOSFET特性曲線(xiàn)輸出特性轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)Uuuu3.2.2N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示，制造時(shí)在柵極下方的絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。無(wú)須加開(kāi)啟電壓（uGS=0）。3.2.2N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSF當(dāng)uGS＞0時(shí)，將使iD進(jìn)一步增加。uGS＜0時(shí)，隨著uGS的減小iD逐漸減小，直至iD=0。對(duì)應(yīng)iD=0的uGS值為夾斷電壓UGS(off)。轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)輸出特性曲線(xiàn)當(dāng)uGS＞0時(shí)，將使iD進(jìn)一步增加。uGS＜0時(shí)，3.2.3P溝道MOSFET簡(jiǎn)介P溝道MOS管和N溝道MOS管的主要區(qū)別在于作為襯底的半導(dǎo)體材料的類(lèi)型不同，PMOS管是以N型硅作為襯底，而漏極和源極從P區(qū)引出，形成的反型層為P型，相應(yīng)的溝道為P型溝道。對(duì)于耗盡型PMOS管，在二氧化硅絕緣層中摻入的是負(fù)離子。使用時(shí)，uGS的極性與NMOS管相反。增強(qiáng)型PMOS管的開(kāi)啟電壓UGS（th）是負(fù)值，而耗盡型的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)是正值。3.2.3P溝道MOSFET簡(jiǎn)介P溝道MOS3.3

場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、性能參數(shù)1.開(kāi)啟電壓UGS(th)

開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。2.夾斷電壓UGS(off)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UGS(pff)時(shí),漏極電流為零。3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)3.3.1場(chǎng)效應(yīng)3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管,當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。4.直流輸入電阻RGS結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管,RGS約是109～1015Ω。5.低頻跨導(dǎo)gm

：表示uGS對(duì)iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上，gm

是曲線(xiàn)在某點(diǎn)上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為S或mS。3.飽和漏極電流IDSS4.直流輸入電阻RGS5.低頻跨導(dǎo)二、極限參數(shù)1、最大漏極電流IDM是指管子在工作時(shí)允許的最大漏極電流。2、最大耗散功率PDMPDM=uDSiD，它受管子的最高工作溫度的限制。3、漏源擊穿電壓U（BR）DS漏、源極間所能承受的最大電壓。4、柵源擊穿電壓U（BR）GS漏、源極間所能承受的最高電壓。二、極限參數(shù)1、最大漏極電流IDM2、最大耗散功率PDM3、3.3.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)一、特點(diǎn)和選管原則

1、電壓控制器件，柵極基本上不取電流，輸入電阻高。所以，常用在那些只允許信號(hào)源是取小電流的高精度、高靈敏度的測(cè)量?jī)x器、儀表等。2、參與導(dǎo)電的只是多子。所以不易受溫度、輻射等外界因素影響，用在環(huán)境條件變化較大的場(chǎng)合。3、噪聲較小。對(duì)于低噪聲、穩(wěn)定性要求高的線(xiàn)性放大電路宜采用。4、制造工藝簡(jiǎn)單，所占的芯片面積小，功耗很小，使用于大規(guī)模集成。5、源極和漏極結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可以互換使用。3.3.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)一、特點(diǎn)和選管原二、使用注意事項(xiàng)1、使用時(shí)，各極電源極性應(yīng)按規(guī)定接入;各極限參數(shù)規(guī)定的數(shù)值絕對(duì)不能超過(guò)。2、MOS管的襯底和源極通常連接在一起，若需分開(kāi)，則襯源間的電壓要保證襯源間PN結(jié)反向偏置。3、貯存時(shí)，應(yīng)將管子的三個(gè)電極短路；把管子焊接到電路上或取下時(shí)，應(yīng)先用導(dǎo)線(xiàn)將各電極繞在一起；焊接管子，最好斷電利用余熱焊接。4、JFET可在柵源極開(kāi)路狀態(tài)下貯存，用萬(wàn)用表檢查；MOS管必須用測(cè)試儀，良好接地。二、使用注意事項(xiàng)1、使用時(shí)，各極電源極性應(yīng)按規(guī)定接入;各極限

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，需要有合適的柵極電壓，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線(xiàn)性失真。通常偏置的形式有兩種。1.自偏壓電路自偏壓電路適用于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，與晶體管的射極偏置電路相似。2.分壓式偏置電路能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，而且適用于由各種類(lèi)型FET構(gòu)成的放大電路。

3.4場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，需因Rg上沒(méi)有壓降，IG≈0，所以s極直流電位與地相等。依靠電流ID在R上的電壓降，使電路自行提供柵極偏壓.UGS=-IDR。為減少R對(duì)放大倍數(shù)的影響