西安交通大學趙進全模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章

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場效應晶體管及其放大電路

晶體管的主要特點1.電流控制型器件。2.輸入電流大，輸入電阻小。3.兩種極型的載流子都參與導電，又稱為雙極型晶體管，簡稱BJT（BipolarJunctionTransistor)。3.0

概述場效應管，簡稱FET(FieldEffectTransistor)。(a)

輸入電阻高，可達107~1015W。(b)

起導電作用的是多數(shù)（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。(c)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(d)

噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)

在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應用。場效應管的主要特點1.

結(jié)型場效應管，簡稱JFET(JunctionFieldEffectTransistor)。場效應管按結(jié)構(gòu)可分為場效應管的類型2.

絕緣柵型場效應管，簡稱IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)。3.1

結(jié)型場效應管

3.1.1

結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)和類型

sgdP+NP+SiO2保護層N溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖NP+P+形成SiO2保護層以N型半導體作襯底上下各引出一個電極左右各引出一個電極兩邊個引出一個電極兩邊個引出一個電極兩邊擴散兩個高濃度的P型區(qū)漏極d（drain)源極s（source)柵極g（gate)NP+P+N型導電溝道符號稱為N溝道JFET符號P溝道JFET結(jié)構(gòu)示意圖PN+N+P型導電溝道sgdN溝道結(jié)型場效應管P溝道結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管分3.1.2

結(jié)型場效應管的工作原理

電路圖GDS1．uDS=0時，uGS對溝道的控制作用

a．當uGS=0時NP+P+N型導電溝道sd=0溝道無變化gb．UGS(off)<uGS<0NP+P+N型導電溝道sd=0P+–+(a)PN結(jié)加寬(b)PN結(jié)主要向N區(qū)擴展(c)導電溝道變窄(c)導電溝道電阻增大gNP+P+N型導電溝道sd=0P+P+(a)PN結(jié)合攏(b)導電溝道夾斷c．0>uGS=UGS(off)UGS(off)——柵源截止電壓或夾斷電壓–+g當uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示

2．當uGS

=0時，uDS對溝道的控制作用

NP+P+N型導電溝道sd=0–+gNP+P+N型導電溝道sd=0–+a．0<uDS<|UGS(off)|(b)沿溝道有電位梯度(c)沿溝道PN結(jié)反偏電壓不同(a)漏極電流iD≠0，uDS增大，iD增大uDS(d)溝道PN結(jié)呈楔形gNP+P+N型導電溝道sd=0–+P+b．uDS=|UGS(off)|(a)iD達到最大值(b)溝道點夾斷(預夾斷)?gc．uDS>|UGS覺(o鞠ff景)|NP+N型導電溝道sd=0P+–+(b傲)溝道康夾斷掛區(qū)延孤長g(a愿)iD達到廳最大譽值，恩且?guī)缀鯎撇浑SuDS的增大裂而變粒化當uGS=0時，uDS對溝涂道的正控制賣作用掘動畫護演示3．當uDS≥0時，uGS(≤綁0）對溝吩道的已控制乎作用a.uDS和uGS將一惜起改洽變溝叼道的尼寬度c.當uDG=|UGS絹(o只ff煉)|時溝虛道出擔現(xiàn)預慮夾斷b.授PN結(jié)在監(jiān)漏極使端的拐反偏者電壓稠最大uDG=uDS–uGSNP+N型導電溝道sdP+–++–guDS、uGS共同對溝勵道的笑控制挨作用危動畫尚演示(1橋)JF釀ET是利用uGS所產(chǎn)牽生的叉電場霞變化醒來改變偏溝道御電阻勒的大貢小。(2俊)場效車應管飛為一眨個電伐壓控耀制型檔的器獅件。(3矛)在N溝道JF尋ET中，uGS和UGS（of姓f）均為負值徐。小結(jié)在P溝道JF言ET中，uGS和UGS（of所f）均為正值。即JF級ET是利用水電場瘡效應圣控制牙溝道尊中流傾通的雁電流底大小濟，因比而稱向為場效叫應管。3.仁1.悟3結(jié)型庸場效補應管裕的伏繞安特活性在正常負工作躍的情任況下讀，iG=0，管子露無輸羽入特眉性。++––1．輸出蜓特性跳（漏流極特犁性）24061020可變電阻區(qū)放大迎區(qū)截止惹區(qū)++––24061020可變電阻區(qū)(1仆)可變護電阻該區(qū)a.uDS較小c.uDS＜|UGS姐(o曾ff恥)|圈+uGSd.管子昨相當嗚于受uGS控制久的壓控初電阻各區(qū)點的特削點b.溝道育尚未頭夾斷放大燈區(qū)(2運)放大賊區(qū)放大疑區(qū)也趴稱為筑飽和隱區(qū)、飲恒流架區(qū)。b.在uDS≥|UGS母(o占ff早)|律+uGSa.溝道訂預夾玻斷c.部iD幾乎行與uDS無關(guān)d.iD只受uGS的控笑制24061020截止亮區(qū)a.uGS＜UGS鋤(o必ff憂)(3功)截止株區(qū)b.溝道缸完全蛾夾斷c.iD≈0240610202．轉(zhuǎn)移奶特性表示燈場效荷應管捏的uGS對iD的控般制特別性定義????(1乳)對于暴不同譽的uDS，對應閃的轉(zhuǎn)合移特劈燕性曲獅線不極同。曲線閑特點(2律)當管霞子工板作于脆恒流期區(qū)時頸，轉(zhuǎn)練移特桂性曲貴線基桌本重涉合。??OO當管憶子工督作于跟恒流柜區(qū)時稱為零偏漏極電流3.蔥1.晨4結(jié)型健場效章應管雀的主得要電前參數(shù)1．直流荒參數(shù)(1破)夾斷搭電壓UGS鍛(o次ff屋)(2智)零偏逮漏極廟電流IDS賀S(也稱掙為漏增極飽告和電赴流)(3舍)直流最輸入四電阻RGS2．交帽流參假數(shù)(1陣)跨導gm也稱木為互腸導。棄其定潛義為當管極子工贏作在漠放大犧區(qū)時得管溉子的硬跨導由可見就，gm與IDQ有關(guān)微。IDQ越大濟，gm也就濾越大閣。3.極限邊參數(shù)(1刪)漏極猾最大末允許炊耗散伙功率PDS濟M(2池)最大傻漏極唇電流IDS胖M(2)

極間電容柵源腿電容Cgs柵漏澡電容Cgd漏源屑電容Cds(3趟)柵源撐擊穿裳電壓U（BR）GS(4潔)漏源夢擊穿譯電壓U（BR）DS[例]在圖鳴示電裕路中娘，已或知場鉛效應宮管的煌；問餐在下墳列三糧種情軍況下奧，管坐子分戰(zhàn)別工緞作在萄那個跡區(qū)？(b江)(c貴)(a直)[解]職(a爸)因為uGS<UGS蕉(o繼ff狀),管子耀工作凱在截框止區(qū)慘。GDS(b誘)因管子綢工作額在放撫大區(qū)(c)因管子日工作穩(wěn)在可拴變電過阻區(qū)GDS3.雄2絕緣慢柵型弄場效念應管N溝道IG懂FE憶T耗盡袍型增強杰型P溝道N溝道P溝道絕緣比柵型駱場效踢應管便的類出別3.碎2.描1增強束型MO壓S管gsdN+N+SiO2保護層AlbP結(jié)構(gòu)章示意挪圖PN+sgdN+以P型半選導體足作襯袍底形成兩個PN結(jié)Si卡O2保護臺層引出兩個電極引出兩個電極引出備柵極Al從襯錢底引筑出電差極兩邊債擴散繼兩個臨高濃鐘度的N區(qū)Si丙O2保護香層PN+sgdN+Al故又晌稱為MO恥S管管子廟組成a.金屬（Met病al呢)b.氧化民物(Oxi粉de廚)c.半導惹體(Sem隨ic鐘on哄du響ct辭or薯)1.工作咐原理電路挪連接恢圖PN+sgdN+–++–(1思)uGS=0扁,uDS≠0源極雨和漏倉極之震間始閣終有籠一個PN結(jié)反討偏，iD=0PN+sgN+iD=0d–++–PN+sgN+iD=0d–++–(2傷)uGS>0,uDS=0產(chǎn)生壞垂直且向下坡的電饞場PN+sgN+iD=0g–++–電場蜓排斥晶空穴吸引煙電子形成腎耗盡鴨層PN+sgN+iD=0d–++–形成猛導電醫(yī)溝道當uGS=UGS賤(t范h)時出現(xiàn)烏反型摸層PN+sgN+iD=0d–++–UGS妙(t張h)——開啟朝電壓N溝道跡增強貢型MO箱S管，箱簡稱NM仇OSN溝道PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d戀)溝道鞠反型甚層呈楔形(b僑)沿溝侮道有禽電位爛梯度(3斧)當uGS>UGS警(t來h）,uDS>0時(c脫)絕緣卸層內(nèi)輔不同促點的鵲電場慮強度不同,左高憂右低(a雪)漏極匆電流iD>0uDS增大，iD增大a.窄uDS升高溝道舍變窄PN+SGN+iD>0D–++–uDS反型侮層變鋼窄b.當uGD=uGS–uDS=UGS醬(t旨h）時PN+SGN+iD>0D–++–uDS溝道箱在漏讓極端損夾斷(b底)管子軍預夾租斷(a音)iD達到踢最大仆值c.當uDS進一倡步增登大(a店)iD達到?jīng)鲎畲蟪持登疫b恒定PN+SGN+iD>0D–++–uDSPN+SGN+D–++–uDS溝道變夾斷辨區(qū)延剛長(b魂)管子攏進入混恒流牙區(qū)增強敬型NM按OS管工桿作原纏理動悼畫演泡示2．伏安危特性果與參榆數(shù)a．輸必出特者性可變電阻區(qū)放大堪區(qū)截止聰區(qū)輸出迅特性謝曲線24061020(1斜)可變書電阻蘇區(qū)(a王)uDS較小怕，溝型道尚熟未夾做斷(b朱)uDS＜uGS–|UGS山(t吩h)|(c舞)管子斬相當捕于受uGS控制災的電阻各區(qū)皺的特遺點可變電阻區(qū)24061020(2遙)放大淺區(qū)(飽和首區(qū)、宿恒流質(zhì)區(qū))(a機)溝道英預夾處斷(c好)iD幾乎籃與uDS無關(guān)(d免)iD只受uGS的控者制(b仔)uDS>uGS–|UGS福(t挑h)|放大區(qū)24061020截止何區(qū)(a怪)uGS＜UGS予(t蠢h)(3情)截止陸區(qū)(b落)溝道俗完全兔夾斷(c勾)iD=024061020管子味工作駛于放調(diào)大區(qū)享時函呈數(shù)表腔達式b．轉(zhuǎn)移嚼特性號曲線式中唇，K為與玩管子守有關(guān)攝的參貧數(shù)。O轉(zhuǎn)移特性曲線[例]圖示紅為某熟一增扭強型NM哲OS管的僚轉(zhuǎn)移乳特性鏈。試經(jīng)求其導相應遮的常桿數(shù)K值。[解]由圖愧可知贈，該肥管的UGS（th）=輕2謊V當UGS=初8乒V時，ID=屬2承mA故02468123.過2.符2耗盡吧型MO間S管1.MO慚S管結(jié)構(gòu)適示意尤圖sgdN+N+SiO2Alb耗盡層（導電溝道）反型層P絕緣初層中糾滲入艦了正蠢離子PN+sdN+出現(xiàn)雀反型屈層形成幸導電逢溝道g導電天溝道沙增寬a.導電翻溝道羽變窄b.耗盡穗型MO陳S管可翼以在uGS為正奇或負主下工作治。PN+sdN++–g2．伏安掘特性方與參戚數(shù)24061020可變電阻區(qū)放大區(qū)截止區(qū)a．輸出般特性諸曲線b．轉(zhuǎn)移楊特性遞曲線函數(shù)滋表達污式轉(zhuǎn)移特性曲線O工作梅于放絮大區(qū)碌時增強婚型與社耗盡殖型管懶子的選區(qū)別耗盡杏型增強娘型當時當時MO刻SF努ET符號增強弱型耗盡概型GSDSGDP溝道GSDN溝道GSDJF猛ET符號N溝道P溝道場效虧應管剝的特撫點（罩與雙熔極型步晶體志管比澇較）(1巧)場效扶應管料是一耍種電拾壓控血制器好件，粱即通脈過uGS來控制iD；雙極伏型晶體管是稱一種浸電流稠控制色器件合，即訴通過iB來控課制iC。(2疼)場效頌應管督的輸姓入端赤電流悄幾乎員為零楊，輸姑入電塊阻非較常高;雙極訴型晶體管的皆發(fā)射電結(jié)始篩終處際于正泰向偏霞置，涌有一冷定的輸老入電濱流，榜基極雀與發(fā)校射極迎間的貼輸入蝦電阻踢較小里。(3持)場效瞞應管菠是利找用多袖數(shù)（步一種嘉極性冒）載俊流子遣導電別的;在雙該極型晶體管中魂二種嫩極性攻的載酷流子滾（電神子和惠空穴受）同耗時參抹與了蜻導電痛。(4洪)場效猶應管蜜具有雪噪聲便小、適受輻隆射的畢影響踢小、沈熱穩(wěn)完定性較鎮(zhèn)好，均且存懸在零流溫度拌系數(shù)群工作扛點。(5賢)場效術(shù)應管株的結(jié)拍構(gòu)對茶稱，改有時沈（除吧了源殿極和豎襯底在制造址時已坑連在披一起吩的MO妻S管）漏極唐和源愿極可殼以互換輪使用波，且爐各項邀指標劈燕基本誘不受荷影響的，使由用方朽便、靈活嗓。(6徹)場效狹應管模制造遇工藝垮簡單篩，有碧利于均大規(guī)線模集剝成。每個MO死S場效景應管沉在硅承片上丘所占能的面報積只彈有雙秘極性晶納體管5%。場效祖應管拒的跨我導小眨，當站組成鄰放大蔬電路殊時，遣在相同的械負載攀電阻意下，鉛電壓踢放大緩倍數(shù)藝比雙犯極性晶體管低。(8找)由于MO枝S管的某輸入補電阻擇高，秋由外槳界感至應產(chǎn)燦生的楚電荷不奮易泄射露，長而柵漫極上利的絕拔緣層飽又很社薄，滋這將倚在柵極忙上產(chǎn)泰生很遣高的駱電場帆強度么，以立致引態(tài)起絕鈴緣層筋的擊穿槍而損襪壞管識子。2.絕緣守柵場冠效應塵管的簡柵極甲為什顫么不興能開紗路？思氧考傍題1.與雙雁極型快晶體言管相截比，剛場效蚊應管根主要冷有哪果些特狹點？3.霜3場效爹應管樹放大孝電路3.祝3.巴1場效君應管鴿的偏證置及堡其電駐路的糕靜態(tài)努分析1．自盯給偏幻玉壓場效應管常用的偏置方式自給偏壓分壓式偏置IDQUSQ=IDQRSUGS勁Q=–IDQRS(1剃)電路(2移)自給罩偏壓躬原理+_+_(3衛(wèi))靜態(tài)濾分析a.方法翠一：夠圖解翠法(a搭)列寫酷輸出苗回路訓方程(c葛)作圖(b景)列寫昨輸入議回路魂方程+_+_abcdeabcdeIDQMNQoUDS祥QQiUGS描Q作輸餓出回罩路直已流負辜載線作控酸制特反性作輸浪入回早路直扒流負嚷載線OOb.方法每二：嬌估算卵法輸入沾回路型方程當管橫子工撇作于胳放大銅區(qū)時兩式扇聯(lián)立繡可求烏得IDQ由此成可得+_+_[例]在圖低示電順路中板，VDD=1男8V，RD=3到kΩ，RS=1勻kΩ、RG=1尤MΩ，F(xiàn)E患T的IDS帶S=7耳mA、UGS柱(o楊ff旁)=－8V。試疊求UGS掌Q、IDQ和UDS外Q。+_+_[解]當管子工作于放大區(qū)時將有家關(guān)數(shù)鋒據(jù)代曉入上水式，桃得UGS什Q=－2.滅9瞞VIDQ=2貪.9護m療A聯(lián)立淘求解禿，得2．分捏壓式篩偏置圖中(1納)電路(2發(fā))靜態(tài)飲分析+_+_+__+故分壓給式偏請置:增強顆型、種耗盡鑰型兩種奴偏置交電路痛適用疑的FE橫T自給部偏壓侵：耗寇盡型+_+_+__+3．信墨號的守輸入計和輸玩出常用露的耦駱合方觀式阻容榮耦合變壓鉛器耦知合直接沒耦合一種起典型緊的阻盯容耦牌合共嬌源極哀放大維電路+_+++_+3.窮3.懂2場效岔應管昂的微油變等脊效電奏路由場冷效應諸管工艘作原紛理知iD=f(uGS，uDS)iG=0對iD全微闖分FETgds為跨導式中rds為FE擺T共源刊極輸殘出電卵阻故

或者FETgdsFET的微變等效電路簡化撫的微溝變等想效電搭路FET的微變等效電路FET的高頻模型3.板3.木3場效敢應管校組成寄的三典種基匆本放運大電熄路1．共書源極簽放大鎮(zhèn)電路微變化等效脹電路+_+++_+由圖請可知····故·····式中a.求電寄壓放深大倍拐數(shù)由圖鴨可知b.求輸暢入電趕阻Ri根據(jù)輸出電阻的定義由圖可知畫出凍求輸漢出電竊阻的焰等效杯電路c.求輸手出電參阻Ro2.共漏枯極放番大電嫁路微變源等效溝電路_++++_由圖究可知··故···式中···a.求電某壓放騰大倍籮數(shù)···輸入電阻b.求輸域入電種阻Ric.求輸做出電返阻Ro求Ro的等服效電笨路由圖骨可知故電成路的浴輸出仇電阻3.共柵取極放況大電預路+_T+_+++微變氏等效鳴電路+__+gsd_++_T+_+++由圖可知·······a.求電警壓放相大倍咸數(shù)+__+gsd_+故由于+__+gsd_+b.求輸急入電托阻Ri故c.求輸溝出電瘦阻Ro畫出炒求Ro的等匠效電斬路+__+gsd_++__+gsd_+由于ugs=ui=01.比較桿共源軟極場哈效應昂管放傲大電竭路和摘共發(fā)土射極疲晶體陡管放大疑電路夸，在核電路喬結(jié)構(gòu)扭上有稼何相恒似之喇處？炒在性狀能上各舉有何望特點旗？2.增強隸型絕脂緣柵暈場效醬應管隨放大獅電路禍的直烘流偏殼置能殃否采用陷自給溝偏壓衛(wèi)方式垂？為譯什么況？思層考褲題[例1]在圖橋示電哨路中:Ouiuo3pO2ppwt3p2ppwt(a)(b)練狠習鵲題RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-(1虛)如果電路泰輸入提、輸明出電蘆壓的淚波形圍分別鴉如圖(a俊)、(b漲)所示骨。試饑問該舌電路聞的靜畏態(tài)工拒作點否可能遲處于挑或靠公近哪鬼個區(qū)款？(2承)已知T工作有于放焰大區(qū)牙及IDQ，RG1和RG2，求RS；(3笛)在線哄性放帖大條抬件下澇，寫鈔出電罰路的Au、Ri及Ro的表達灣式。Ouiuo3pO2ppwt3p2ppwt(a)(b)RG2T+VDD