電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章場效應(yīng)管及其放大電路課件

第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理第四節(jié)場效應(yīng)管放大電路第三章場效應(yīng)管及其放大電路第一節(jié)場效應(yīng)管概述2/6/2023作業(yè)3-13-43-63-122/6/2023場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管的學習方法場效應(yīng)管的分類第一節(jié)場效應(yīng)管概述2/6/2023場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當作電壓控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。三是當作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；雙極型三極管只有兩種用途：一是當作電流控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。2/6/2023場效應(yīng)管的學習方法學習中不要把場效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開來，應(yīng)注意比較它們的相同點和不同點。場效應(yīng)管的柵極、漏極、源極分別與雙極型三極管的基極、集電極、發(fā)射極對應(yīng)。場效應(yīng)管與雙極型三極管的工作原理不同,但作用基本相同。場效應(yīng)管還可以當作非線性電阻來使用,而雙極型三極管不能。2/6/2023N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道場效應(yīng)管FET結(jié)型JFETIGFET(MOSFET)絕緣柵型場效應(yīng)管的分類2/6/2023一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)P+P+NGSD導電溝道N+N+PGSDN溝道JFETP溝道JFET柵極漏極源極2/6/2023二、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)的工作原理參考方向做如下約定:2/6/2023（1）電壓源UGS和電壓源UDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源UGS起作用，電壓源UDS的電壓值為0；（3）只有電壓源UDS起作用，電壓源UGS的電壓值為0；（4）電壓源UGS和電壓源UDS同時起作用。在給出各種情況下的結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)時，同時畫出對應(yīng)的輸出特性曲線。特別注意:電壓參考方向和電流參考方向的約定方法。參考方向可以任意約定,不同的約定方法得到不同樣式的特性曲線.書上的特性曲線是按前面的方法來約定參考方向的。按照如下的思路來講解：2/6/2023（2）在UDS=0伏的前提下：│UGS│從0伏逐漸增加過程中，JFET的工作狀態(tài)（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐漸增加UGS=-1伏

此時導電溝道從漏極到源極平行等寬這時的導電溝道的電阻用R2表示。R2要大于R1UGS給PN結(jié)施加的是一個反偏電壓2/6/2023（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐漸增加至UGS=Up（夾斷電壓）當│UGS│逐漸增加至UGS=Up時（不妨取Up=-3伏），由UGS產(chǎn)生的PN結(jié)左右相接，使導電溝道完全被夾斷。這時的結(jié)型場效應(yīng)管處于截止狀態(tài)。Up是結(jié)型場效應(yīng)管的一個參數(shù)，稱為夾斷電壓。2/6/2023

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，結(jié)型場效應(yīng)管進入擊穿狀態(tài)UGS增加使PN結(jié)上的反偏電壓超過U（BR）DS時，結(jié)型場效應(yīng)管將進入擊穿狀態(tài)。2/6/2023導電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。當UDS比較小時

，導電溝道不會被夾斷。在導電溝道沒有被夾斷之前，可以近似地認為導電溝道的電阻均為R1，此時導電溝道可以認為是一個線性電阻。2/6/2023（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│時

PN結(jié)在靠近漏極的一點最先相接，導電溝道被預(yù)夾斷。對應(yīng)輸出特性曲線中的A點。此時溝道中的電流為可能的最大的電流，稱為飽和漏極電流，記作IDSS。2/6/2023（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加

2/6/2023（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DS

PN結(jié)上的反偏電壓超過某值時，結(jié)型場效應(yīng)管將進入擊穿狀態(tài)，如圖中的B點所示。此時的UDS值為最大漏源電壓，記為U（BR）DS。2/6/2023(4)在UGS=-1伏（即│UGS│<│Up│的某個值）的前提下，當UDS由小變大時，JFET的狀態(tài)(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比較小時導電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。近似地認為導電溝道的電阻均為R2，導電溝道呈現(xiàn)線性電阻的性質(zhì)。2/6/2023(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值開始出現(xiàn)預(yù)夾斷

如圖所示，當UDS的值增加至某值（此值比│Up│小）時，兩邊的PN結(jié)在靠近漏極的某點最先相接，導電溝道被預(yù)夾斷,在此點有│UGS│+UDS=│Up│。JFET的狀態(tài)對應(yīng)輸出特性曲線中的M點。M點對應(yīng)的UDS值比A點對應(yīng)的UDS值小，因為UDS=│Up│-│UGS│<│Up│。2/6/2023(4.4）UGS=-1伏、UDS繼續(xù)增加至出現(xiàn)PN結(jié)擊穿UGS和UDS電壓源分別使PN結(jié)反偏，它們共同作用使靠近漏極的PN結(jié)承受最大的反偏電壓，UDS增加使PN結(jié)上的反偏電壓過大時，在靠近漏極的區(qū)域首先出現(xiàn)反向擊穿。結(jié)型場效應(yīng)管進入反向擊穿狀態(tài)，此時的UDS值比UGS=0時出現(xiàn)反向擊穿的UDS小。2/6/2023(5)當UGS≤UP時，JFET處于截止狀態(tài)當UGS≤UP時，導電溝道全部被夾斷，JFET處于截止狀態(tài)，在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件的一個狀態(tài),對應(yīng)于開關(guān)斷開。

不同UGS下預(yù)夾斷點相連成一條曲線，此曲線與縱軸相夾的區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。此時場效應(yīng)管當作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用?？勺冸娮鑵^(qū)在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件的一個狀態(tài)，相當于開關(guān)閉合，此時的UDS記為UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。2/6/2023JFET的三個狀態(tài)恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)2/6/2023場效應(yīng)管的應(yīng)用小結(jié)

一是當作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用，VGS的絕對值越大，導電溝道就越窄，對應(yīng)的導電溝道電阻越大，即電壓VGS控制電阻的大小，管子工作在可變電阻區(qū)，當作壓控可變電阻使用時，導電溝道還沒有出現(xiàn)預(yù)夾斷；二是當作電壓控制器件用來組成放大電路，VGS電壓控制漏極電流的大小，控制比例系數(shù)為gm,VGS電壓的絕對值越大，漏極電流越小，管子工作在恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)），此時導電溝道已經(jīng)出現(xiàn)預(yù)夾斷，夾斷區(qū)域向漏極方向延伸，但是仍然留存一部分導電溝道；三是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件，管子工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)，有兩個明確、穩(wěn)定的狀態(tài)。漏極和源極相當于開關(guān)的兩個觸點，在可變電阻區(qū)，相當于開關(guān)閉合，在截止區(qū)，相當于開關(guān)斷開，場效應(yīng)管相當于一個無觸點的開關(guān)。2/6/2023第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理一、IGFET的結(jié)構(gòu)2/6/2023MOS場效應(yīng)管N溝道增強型的MOS管P溝道增強型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管MOS場效應(yīng)管分類2/6/20232/6/20232/6/2023二、增強型MOS場效應(yīng)管一N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二N溝道增強型MOS的工作原理三N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線2/6/2023一、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E絕緣柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導體因此稱之為MOS管2/6/2023P溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)2/6/2023二、N溝道增強型MOS的工作原理2/6/2023按照如下的思路來講解：（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS的電壓值為0；（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0；（4）電壓源VGS和電壓源VDS同時起作用。在給出各種情況下的MOS場效應(yīng)管的工作狀態(tài)時，同時畫出對應(yīng)的輸出特性曲線。2/6/2023（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；當VGS=0V，VDS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的PN結(jié)2/6/2023（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS的電壓值為0；（2.1）當VDS=0V，VGS較小時，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負離子不能導電。（2.2）當VDS=0V，當VGS=VT時，在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導電溝道2/6/2023（2.3）當VDS=0V，VGS>VT時,溝道加厚開始時無導電溝道，當在VGSVT時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管2/6/2023（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為大于開啟電壓的某值（3.1）電壓源VDS的值較小導電溝道在靠近源極的一邊較寬，導電溝道在靠近漏極的一邊較窄，呈現(xiàn)楔型，此時導電溝道的電阻近似認為與平行等寬時的一樣。對應(yīng)特性曲線的可變電阻區(qū)電壓源VDS的作用使導電溝道有電流流通，電流的流通使導電溝道從漏極到源極有電位降2/6/2023（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0（3.2）電壓源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT導電溝道在靠近漏極的一點剛開始出現(xiàn)夾斷，稱為預(yù)夾斷。此時的漏極電流ID基本飽和。vDS(V)iD(mA)2/6/2023（3.3）電壓源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT導電溝道夾斷的區(qū)域向源極方向延伸，對應(yīng)特性曲線的飽和區(qū)，VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。vDS(V)iD(mA)2/6/2023三、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(vDS)vGS=C輸出特性曲線vDS(V)iD(mA)當vGS變化時，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時，iD基本不隨vDS變化而變化。vGS/V2/6/2023三、耗盡型MOS場效應(yīng)管一N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二N溝道耗盡型MOS的工作原理三N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線2/6/2023一、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)2/6/2023P溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)2/6/2023二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理

當VGS=0時，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流iD,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當VGS＞0時,將使iD進一步增加。當VGS＜0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VP表示。VGS(V)iD(mA)VPN溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS>0N溝道增強型MOS管只能工作在VGS>02/6/2023三、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲線VGS(V)iD(mA)VP轉(zhuǎn)移特性曲線2/6/2023場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.夾斷電壓VP：是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VP時,漏極電流為零。3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)三極管當VGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。1.開啟電壓VT：MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導通。4.直流輸入電阻RGS:柵源間所加的恒定電壓VGS與流過柵極電流IGS之比。結(jié)型:大于107Ω，絕緣柵:109～1015Ω。5.漏源擊穿電壓V(BR)DS:使ID開始劇增時的VDS。6.柵源擊穿電壓V(BR)

GSJFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓2/6/20237.低頻跨導gm：反映了柵源壓對漏極電流的控制作用。8.輸出電阻rds9.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容

Csd—源極與漏極間電容2/6/2023第四節(jié)場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管偏置電路三種基本放大電路FET小信號模型2/6/20232/6/2023一、場效應(yīng)管放大電路的直流通路場效應(yīng)管偏置電路的關(guān)鍵是如何提供柵源控制電壓UGS1、自偏壓電路：只適合結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管，不適合增強型MOS管2、分壓式自偏壓電路：適合增強型MOS管，當然更適合耗盡型的管子2/6/2023VGS=VG-VS=-ISRS≈-IDRSVGSQ和IDQVDSQ=ED-IDQ(RS+RD)RS的作用：1.提供柵源直流偏壓。2.提供直流負反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。RS越大，工作點越穩(wěn)定。1、自偏壓電路：2/6/2023大電阻（M)，減小R1、R2對放大電路輸入電阻的影響R1R2提供一個正偏柵壓UG2、分壓式自偏壓電路：2/6/2023VGS=VG-VS-IDRSVGS和IDVDS=ED-ID(RS+RD)2/6/2023-IDRSVGS=VG-VS注：要求VG>VS，才能提供一個正偏壓，增強型管子才能正常工作2/6/2023二、場效應(yīng)管的低中頻小信號模型

iD由輸出特性：iD=f(vGS,vDS)SDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs2/6/2023三、三種基本放大電路1、共源放大電路2/6/2023（1）直流分析VGS=VG-VS-IDRSVGSQ和IDQVDSQ=ED-IDQ(RS+RD)畫直流通路，標參考方向，列方程，求Q點2/6/2023基本放大電路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmVgsSVgsViVo未接Cs時一般rds較大可忽略=-gmVgsR'DVgs+gmVgsRs=-gmR'D1+gmRsR'D=RD//RL（2）動態(tài)分析Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo≈RDRiRo2/6/2023IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmVgsSVgsViVo未接Cs時=-gmR'D1+gmRsRiRi=RG+(R1//R2)≈RGRoRo≈RD接入Cs時AV=-gm(rds//RD//RL)Ri=RG+(R1//R2)≈RGRo=RD//rds≈RDRs的作用是提供直流柵源電壓、引入直流負反饋來穩(wěn)定工作點。但它對交流也起負反饋作用，使放大倍數(shù)降低。接入CS可以消除RS對交流的負反饋作用。2/6/2023ri2、共漏放大電路GSDViRGGVoRLRSgmVgsrdsSD=gmVgsR'SVgs+gmVgsR's=gmR'S1+gmR'sR'S=rds//RS//RL≈RS//RL<1gmR'S>>1AV≈1ri=RGVgs+-電壓增益輸入電阻2/6/2023輸出電阻Vgs+-gmVgsRS+-VoIoRoViGVoSRGRLRSgmVgsrdsDVgs+--gmVgsVgs=-Vo=Vo(1/Rs+gm)=gmR'S1+gmR's電壓增益Ri=RG輸入電阻2、共漏放大電路2/6/20233、共柵放大電路SGDrdsgmVgsSGD電壓增益IdId=gmVgs+Vds/rdsVds=Vo-ViVo=-IdR'DVgs=-ViId=-gmVi+(-IdR'D-Vi)/rdsr'iri2/6/2023SGDrdsgmVgsSGDIdr'i輸入電阻R'i

=Vi/IdR'i

≈1/gmriRi≈Rs//1/gm2/6/2023電壓增益AV≈gmR'D輸入電阻R'i≈1/gmRi≈Rs//1/gmSGDrdsgmVgs輸出電阻roR'o=rdsRo=rds//RD≈RD電壓增益高，輸入電阻很低，輸出電阻高，輸出電壓與輸入電壓同相2/6/2023組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：三種基本放大電路的性能比較2/6/2023輸出電阻：BJTFET輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：三種基本放大電路的性能比較2/6/2023解：畫中頻小信號等效電路例題放大電路如圖所示。已知試求電路的中頻增益、輸入電阻和輸出電阻。VO?IbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_2/6/2023例題由于則VO?IbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_RiRo2/6/2023比較內(nèi)容場效應(yīng)管三極管導電機理只依靠一種載流子（多子）參與導電，為單極型器件。兩種載流子（多子和少子）參與導電，為雙極型器件。放大原理輸入電壓控制輸出電流，gm=0.1ms~20ms輸入電流控制輸出電流，例如，β=20~100特