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场效应管,BJT是一种电流控制器件(iB~ iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(vGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用P沟道,耗尽型 （D型）,P沟道,P沟道,增强型（E型）,,,场效应管的分类：,,4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,4.1.5 MOSFET的主要参数,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,4.1.3 P沟道MOSFET,4.1.4 沟道长度调制效应,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,,1. 结构（N沟道）,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构（N沟道）,,,绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET分为： 增强型  N沟道、P沟道 耗尽型  N沟道、P沟道,1. N沟道增强型MOS管 结构 （4个电极） 漏极d，源极s， 栅极g， 衬底b。

符号,MOSFET结构动画演示,,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,2. 工作原理,,当vDS=0且vGS＞0V时→g、b间存在纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥，留下带负电的离子→形成耗尽层当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，在d、s之间加上电压后，总有一个PN结反偏，不会形成电流，即管子截止再增加vGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道（反型层、感生沟道），如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD①栅源电压vGS的控制作用,注意：由于有SiO2绝缘层，故栅极电流为0定义： 开启电压（VT）——刚刚产生沟道所需的栅—源电压VGSN沟道增强型MOS管的基本特性： vGS ＜ VT ，管子截止， vGS ＞ VT ，管子导通 vGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏极电流ID越大4.1.1 N沟道增强型MOSFET,2. 工作原理,② 漏源电压vDS对漏极电流id的影响,当vGS＞VT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响设VT=2V，vGS=4V）,（a）vDS=0时， iD=0b）vDS ↑→iD↑；同时沟道靠漏区变窄。

c）当vDS增加到使vGD＝vGS－vDS＝VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断d）vDS再增加，预夹断区加长， vDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本不变2. 工作原理,,2. 工作原理,（3） vDS和vGS同时作用时,,给定一个vGS ，就有一条不同的 iD – vDS 曲线MOSFET工作原理动画演示,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,,（1）输出特性及大信号特性方程,① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,,（1）输出特性及大信号特性方程,② 可变电阻区 vDS≤（vGS－VT）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,,（1）输出特性及大信号特性方程,② 可变电阻区,n ：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,,（1）输出特性及大信号特性方程,③ 饱和区 （恒流区又称放大区）,vGS VT ，且vDS≥（vGS－VT）,,是vGS＝2VT时的iD,V-I 特性：,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,,（2）转移特性,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,,1. 结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,,特点： 当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有iD。

当vGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加 当vGS＜0时，沟道变窄，iD减小在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道夹断电压（ VP）:沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,,1. 结构和工作原理（N沟道）,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,,2. V-I 特性曲线及大信号特性方程,,,（N沟道增强型）,4.1.3 P沟道MOSFET,,,4.1.4 沟道长度调制效应,,实际上饱和区的曲线并不是平坦的,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的修正后,4.1.5 MOSFET的主要参数,,一、直流参数,1. 开启电压VT （增强型参数）,2. 夹断电压VP （耗尽型参数）,3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）,4. 直流输入电阻RGS ，在漏源之间短路时测得（109Ω～1015Ω ）,二、交流参数,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞,说明了vDS对iD的影响是输出特性某一点上切线斜率的倒数NMOS增强型,4.1.5 MOSFET的主要参数,,2. 低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,,其中,反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。

一般为几毫西 (mS)相当于转移特性上工作点的斜率是表征FET放大能力的一个重要参数4.1.5 MOSFET的主要参数,,三、极限参数,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V（BR）DS,4. 最大栅源电压V（BR）GS,,4.3 结型场效应管,4.3.1 JFET的结构和工作原理,4.3.2 JFET的特性曲线及参数,4.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,,4.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构,结型场效应管结构动画演示,# 符号中的箭头方向表示什么？,2. 工作原理（以N沟道为例）,正常工作条件（N沟道）：,栅—源之间加负向电压（vGS0 ）,以形成漏极电流 iD场效应管通过栅—源电压vGS和漏—源电压vDS对导电沟道的影响来实现对iD的控制，从而实现其放大（控制）的功能4.3.1 JFET的结构和工作原理,s,,4.3.1 JFET的结构和工作原理,工作原理：,当vDS=0（d、s短路）时，vGS对导电沟道的控制作用,,,,s,vDS=0且vGS=0，耗尽层很窄，导电沟道很宽vGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大③ |vGS|增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，称此时vGS的值为夹断电压VP,,4.3.1 JFET的结构和工作原理,当vGS为某一固定值（VP ~0 ）时，vDS对漏极电流iD的影响。

vGS为某一固定值（VP ~0 ），存在由vGS所确定的一定宽度的沟道若vDS=0，此时由于d—s间电压为零，沟道中的载流子不会产生定向移动，故电流iD=0若vDS0，则有电流iD从漏极流向源极，此时沟道中各点与栅极间的电压不等（从源极到漏极逐渐增大），耗尽层宽度不一（沟道上窄下宽，呈楔型）由于栅—漏电压vGD=vGS-vDS，所以当vDS从零逐渐增大时，vGD逐渐减小，靠近漏极一侧的导电沟道必将随之变窄但只要栅—漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍取决于栅—源电压（vGS），故电流iD将随vDS的变化近似线性变化一旦vDS的增大使vGD＝VP，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，称vGD＝VP为预夹断4.3.1 JFET的结构和工作原理,,4.3.1 JFET的结构和工作原理,,预夹断后，若vDS继续增大，vGDVP，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长一方面，自由电子从源极向漏极定向移动所受阻力加大（从夹断区窄缝高速通过），从而导致iD减小； 另一方面，随着vDS的增大，d—s间的电场增强，使iD增大 二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，vDS增大，iD近似不变，即iD仅仅取决于vGS，表现出iD的恒流特性。

当vGDVP 时，vGS对漏极电流iD的控制在vGD=vGS-vDSvGS-VP的情况下，当vDS为一常量时，对应于确定的vGS，就有确定的iD此时通过改变vGS就可以控制iD的大小，这就是场效应管的控制作用 场效应管控制作用体现在漏极电流受栅—源电压的控制，故场效应管为电压控制器件，体现其控制作用的参数为gm（低频跨导）结型场效应管工作原理动画演示,,4.3.1 JFET的结构和工作原理,小结：,在vGD=vGS - vDSVP的情况下，即当vDSvGS - VP (即g－d间未出现夹断) 时，对应于不同的vGS，d－s间等效为不同阻值的电阻； 当vDS使vGD=VP时，d－s间出现预夹断； 当vDS使vGDVP时，iD几乎仅仅决定于vGS，而与vDS无关此时可以把iD近似看成vGS控制的电流源4.3.1 JFET的结构和工作原理,,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。

4.3.2 JFET的特性曲线及参数,1. 输出特性,输出特性曲线：,输出特性曲线描述了当栅－源电压vGS为常量时，漏极电流iD与漏－源电压vDS之间的函数关系（一簇曲线） 场效应管的四个工作区：,可变电阻区：在预夹断前，通过改变vGS的值，可以改变沟道的宽度，从而改变漏－源极之间的电阻恒流区：当vDSvGS－Vp，即vGDVp时，各曲线近似一组横轴的平行线当vDS增大时，iD几乎不变，因而可将iD近似为vGS控制的电流源该区为场效应管作放大管时的工作区夹断区：当vGSVp时，导电沟道被夹断，iD＝0，无电流击穿区：vDS过大，管子击穿输出特性曲线动画演示,1. 输出特性,,2. 转移特性,,转移特性曲线：,转移特性曲线描述了当漏－源电压vDS为常量时，漏极电流iD与栅－源电压vGS之间的函数关系当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为恒轴的一组平行线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区所有曲线注意：为了保证栅—源间的耗尽层加反向电压，N沟道管vGS≤0，P沟 道管vGS≥0转移特性曲线动画演示,与MOSFET类似,3. 主要参数,,4.3.2 JFET的特性曲线及参数,,4.2 MOSFET放大电路,4.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,2. 图解分析,3. 小信号模型分析,4.2.1 MOSFET放大电路,,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,4.2.1 MOSFET放大电路,,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT ，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。

解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ VDD=5V， VT=1V，,4.2.1 MOSFET放大电路,,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,饱和区,需要验证是否满足,4.2.1 MOSFET放大电路,,1.。