場(chǎng)效應(yīng)管及其基本電路詳解

第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本電路3―1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3―1―1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理3―1―2結(jié)型場(chǎng)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)2/2/20231模擬電子技術(shù)3―2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)3―2―1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)3―2―2N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)2/2/20232模擬電子技術(shù)3―2―3N溝道耗盡型MOSFET3―2―4各種類型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比3―3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和小信號(hào)模型3―3―1場(chǎng)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)3―3―2場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型2/2/20233模擬電子技術(shù)3―4場(chǎng)效應(yīng)管放大器3―4―1場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路一、圖解法二、解析法3―4―2場(chǎng)效應(yīng)管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器2/2/20234模擬電子技術(shù)第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本電路（1）了解場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部工作原理及性能特點(diǎn)。（2）掌握?qǐng)鲂?yīng)管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點(diǎn)。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)（）的分析方法。2/2/20235模擬電子技術(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)管）利用多數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成電流。

場(chǎng)效應(yīng)管FET(FieldEffectTransistor)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET(JunctionFET)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管IGFET(InsulatedGateFET)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(dòng)形成電流。2/2/20236模擬電子技術(shù)3―1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3―1―1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理N型溝道PPDGSDSG(a)N溝道JFET圖3―1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)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(dòng)方向ID實(shí)際流向結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu).avi一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)2/2/20237模擬電子技術(shù)P型溝道NNDGSDSG(b)P溝道JFET圖3―1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)ID實(shí)際流向2/2/20238模擬電子技術(shù)NDGSPP(a)UGS=0，溝道最寬圖3―2柵源電壓UGS對(duì)溝道的控制作用示意圖二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理2/2/20239模擬電子技術(shù)(b)UGS負(fù)壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖3―2柵源電壓UGS對(duì)溝道的控制作用示意圖橫向電場(chǎng)作用：︱UGS︱↑↑→溝道寬度→PN結(jié)耗盡層寬度↓2/2/202310模擬電子技術(shù)(c)UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷圖3―2柵源電壓UGS對(duì)溝道的控制作用示意圖DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓2/2/202311模擬電子技術(shù)DGSUDSUGSIDPP>0溝道預(yù)夾斷DGS(a)uGD>UGSoff（預(yù)夾斷前）UDSID＞0UGSPP圖3―4uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

uGD=UGSoff（預(yù)夾斷時(shí)）縱向電場(chǎng)作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上寬下窄）2/2/202312模擬電子技術(shù)由于夾斷點(diǎn)與源極間的溝道長(zhǎng)度略有縮短，呈現(xiàn)的溝道電阻值也就略有減小，且?jiàn)A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)

uGD<UGSoff（預(yù)夾斷后）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管漏源電壓對(duì)溝道的控制作用.avi2/2/202313模擬電子技術(shù)3―1―2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線一、輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)iD的大小同時(shí)受uGS和uDS的控制。uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）uGS>UGSoff預(yù)夾斷前所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。uGS≤0，uDS≥02/2/202314模擬電子技術(shù)圖3―3JFET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)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V漏極輸出特性曲線.avi2/2/202315模擬電子技術(shù)

當(dāng)uDS很小時(shí)，uDS對(duì)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(gè)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(duì)溝道的影響就不能忽略，致使輸出特性曲線呈彎曲狀。2/2/202316模擬電子技術(shù)2.恒流區(qū)iD的大小幾乎不受uDS的控制。預(yù)夾斷后所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）uGS>UGSoff(1)當(dāng)UGSoff<uGS<0時(shí)，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關(guān)系，uGS對(duì)iD的控制能力很強(qiáng)。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大極小。2/2/202317模擬電子技術(shù)4.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)UGS<UGSoff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)2/2/202318模擬電子技術(shù)二、轉(zhuǎn)移特性曲線式中：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：uGS≤0，iD≥02/2/202319模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場(chǎng)效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2/2/202320模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V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.avi2/2/202321模擬電子技術(shù)3―2絕緣柵場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管，用符號(hào)MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。一、簡(jiǎn)介2/2/202322模擬電子技術(shù)MOSFETN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2/2/202323模擬電子技術(shù)3―2―1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)3―2―2N溝道增強(qiáng)型MOSFET

(EnhancementNMOSFET)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)N＋N＋P型襯底DSG2/2/202324模擬電子技術(shù)B(a)UGS<UGSth，導(dǎo)電溝道未形成N＋UGSN＋PN結(jié)(耗盡層)P型襯底圖3―6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)開(kāi)啟電壓：UGSthDSG2/2/202325模擬電子技術(shù)圖3―6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋DGS(c)符號(hào)B襯底的箭頭方向表示PN結(jié)若加正向電壓時(shí)的電流方向(b)UGS>UGSth，導(dǎo)電溝道已形成柵源電壓VGS對(duì)溝道的影響.avi2/2/202326模擬電子技術(shù)圖uDS增大，溝道預(yù)夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+2/2/202327模擬電子技術(shù)圖3―9uDS增大，溝道預(yù)夾斷時(shí)情況BUDSP型襯底UGSN+N+預(yù)夾斷2/2/202328模擬電子技術(shù)圖uDS增大，溝道預(yù)夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響.avi2/2/202329模擬電子技術(shù)二、輸出特性(1)截止區(qū)uDS≥0uGS<UGSth導(dǎo)電溝道未形成，iD=0。(2)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷前所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）2/2/202330模擬電子技術(shù)iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)恒流區(qū)區(qū)穿擊圖3―8輸出特性(a)輸出特性2/2/202331模擬電子技術(shù)(3)恒流區(qū)·曲線間隔均勻，uGS對(duì)iD控制能力強(qiáng)?！DS對(duì)iD的控制能力弱，曲線平坦。預(yù)夾斷后所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。uGS>UGSthuGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）2/2/202332模擬電子技術(shù)三、轉(zhuǎn)移特性(1)當(dāng)uGS<UGSth時(shí)，iD=0。(2)當(dāng)uGS>UGSth時(shí)，iD>0，二者符合平方律關(guān)系。iD≥02/2/202333模擬電子技術(shù)uGS/V032112345UGSthiD/mA圖3―7NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線2/2/202334模擬電子技術(shù)3―2―3N溝道耗盡型MOSFET

(DepletionNMOSFET)ID0表示uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。2/2/202335模擬電子技術(shù)圖N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成BN＋導(dǎo)電溝道（反型層）P型襯底N＋UGS=0，導(dǎo)電溝道已形成2/2/202336模擬電子技術(shù)圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(hào)2/2/202337模擬電子技術(shù)圖3―10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號(hào)(c)DGSB2/2/202338模擬電子技術(shù)3―2―4各種類型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比DGSDGSN溝道P溝道JFET圖3―11各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比2/2/202339模擬電子技術(shù)圖3―11各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比2/2/202340模擬電子技術(shù)JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對(duì)耗盡層厚度的控制來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流（輸出電流）的控制。MOSFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對(duì)半導(dǎo)體表面感生電荷量的控制來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入電壓輸出電流GSSDuGSiD2/2/202341模擬電子技術(shù)iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth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3―12各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比(a)轉(zhuǎn)移特性N溝道：P溝道：2/2/202342模擬電子技術(shù)圖3―12各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比uDSiD0線性可變電阻區(qū)01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9結(jié)型P溝耗盡型MOSP溝－3－4－5－60－1－20123－1－2－33456789結(jié)型N溝耗盡型增強(qiáng)型MOSN溝UGS/VUGS/V增強(qiáng)型(b)輸出特性N溝道：P溝道：2/2/202343模擬電子技術(shù)放大飽和/可變電阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBJT與FET工作狀態(tài)的對(duì)比2/2/202344模擬電子技術(shù)場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法1.先判斷是否處于截止?fàn)顟B(tài)2.再判斷是否處于放大狀態(tài)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。2/2/202345模擬電子技術(shù)3―3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和小信號(hào)模型

3―3―1場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.結(jié)型場(chǎng)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(duì)應(yīng)uGS=0時(shí)的漏極電流。2.增強(qiáng)型MOSFET的主要參數(shù)對(duì)增強(qiáng)型MOSFET來(lái)說(shuō)，主要參數(shù)有開(kāi)啟電壓UGSth。2/2/202346模擬電子技術(shù)3.輸入電阻RGS對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS在108~1012Ω之間。對(duì)MOS管，RGS在1010~1015Ω之間。通常認(rèn)為RGS→∞。

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=ID·UDS2/2/202347模擬電子技術(shù)三、交流參數(shù)1跨導(dǎo)gm對(duì)JFET和耗盡型MOS管那么2/2/202348模擬電子技術(shù)而對(duì)增強(qiáng)型MOSFET那么，對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)Q的gm為2/2/202349模擬電子技術(shù)2.輸出電阻rds恒流區(qū)的rds可以用下式計(jì)算UA為厄爾利電壓。2/2/202350模擬電子技術(shù)若輸入為正弦量，上式可改寫(xiě)為通常rds較大，Uds對(duì)Id的影響可以忽略，則3―3―2場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型2/2/202351模擬電子技術(shù)rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS圖3―13場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)簡(jiǎn)化模型2/2/202352模擬電子技術(shù)3―4場(chǎng)效應(yīng)管放大器3―4―1場(chǎng)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、EMOSFET2/2/202353模擬電子技術(shù)圖3―14場(chǎng)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)2/2/202354模擬電子技術(shù)一、圖解法柵源回路直流負(fù)載線方程1.自偏壓方式RDUDDRSuiRGV圖3―15(a)圖解法求自偏壓方式電路的直流工作點(diǎn)Q2/2/202355模擬電子技術(shù)圖3―15(b)圖解法求混合偏置方式電路直流工作點(diǎn)2.混合偏置方式柵源回路直流負(fù)載線方程RDUDDRSuiRG2RG12/2/202356模擬電子技術(shù)二、解析法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)。RDUDDRSuiRGV2/2/202357模擬電子技術(shù)

3―4―2場(chǎng)效應(yīng)管放大器分析一、共源放大器圖3―16(a)共源放大器電路2/2/202358模擬電子技術(shù)圖3―16(b)共源放大器電路低頻小信號(hào)等效電路2/2/202359模擬電子技術(shù)ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V圖3―18(a)帶電流負(fù)反饋的放大電路例試畫(huà)出低頻小信號(hào)等效電路，并計(jì)算增益Au。2/2/202360模擬電子技術(shù)圖3-18(b)(c)帶電流負(fù)反饋放大電路的等效電路及簡(jiǎn)化等效電路2/2/202361模擬電子技術(shù)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V圖3―19(a)共漏電路二、共漏放大器2/2/202362模擬電子技術(shù)圖3―19(b)共漏電路等效電路＋－UoRLRSSDIdgmUgs＝gm[Ui-Id(RSRL)]//2/2/202363模擬電子技術(shù)1.放大倍數(shù)Au

＋－UoRLRSSDIdgmUgs2/2/202364模擬電子技術(shù)2.輸入電阻C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V2/2/202365模擬電子技術(shù)圖3―20計(jì)算共漏電路輸出電阻Ro的電路3.輸出電阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋UoRG31MRL10k＋－＋－Uigm＝2mA/VIo2/2/202366模擬電子技術(shù)圖3―20計(jì)算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路2/2/202367模擬電子技術(shù)2/2/202368模擬電子技術(shù)作業(yè)3-13-33-43-53-73-82/2/202369模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)轉(zhuǎn)移特性曲線為保證場(chǎng)效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓圖3―3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線2/2/202370模擬電子技術(shù)圖3―3JFET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)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V漏極輸出特性曲線.avi2/2/202371模擬電子技術(shù)uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/m