《模拟电子线路》第三章场效应管.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,*,*,,,第三章 场效应管及其基本电路,1,场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流场效应管,FET,,(Field Effect Transistor),结型场效应管,JFET,绝缘栅场效应管,IGFET,双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流2,,JFET,利用,PN,结反向电压,对,耗尽层厚度,的,,控制来改变导电沟道的宽度，从而,,控制漏极电流的大小IGFET,绝缘栅极场效应管利用,栅源电压,的,,大小来改变,半导体表面感生电荷的,,多少,，从而控制漏极电流的大小3,,3.1.1,结型场效应管,,结型场效应管的结构及工作原理,N,型,沟,道,P,P,D,G,S,D,S,G,(a)N,沟道,JFET,图,3.1.1,结型场效应管的结构示意图及其表示符号,Gate,栅极,Source,源极,Drain,漏极,箭头方向表示栅源间,PN,结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向,4,,P,型,沟,道,N,N,D,G,S,D,S,G,(b)P,沟道,JFET,图,3.1.1,结型场效应管的结构示意图及其表示符号,5,,工作原理,U,GS,对场效应管,I,D,的影响,(,转移特性曲线,),N,D,G,S,P,P,条件：,U,DS,加正电压，,N,沟道的多子（自由电子）形成漂移电流,——,漏极电流,I,D,。

U,GS,反偏电压,↑,,I,D,如何变化？,U,GS,U,DS,I,D,6,,(a),U,GS,=0,，,沟道最宽,当,,U,GS,,=0,时，沟道宽，所以,I,D,较大N,D,G,S,P,P,U,DS,7,,(b),U,GS,负压增大，沟道变窄,当,,U,GS,,↑→PN,结变厚,→,导电沟道变窄,→,沟道电导率,↓→,电阻,↑ →,I,D,↓,D,S,P,P,U,GS,U,DS,8,,(c),U,GS,负压进一步增大，沟道夹断,图,3.1.2,栅源电压,U,GS,对沟道的控制作用示意图,D,S,P,P,U,GS,直到,U,GS,=,U,GS,（,off,）,时，沟道完全消失，,I,D,=0,U,GSoff,——,夹断电压,9,,结型场效应管的特性曲线,一、转移特性曲线,式中：,I,DSS,——,饱和电流，表示,u,GS,=0,时的,i,D,值；,,,U,GSoff,——,夹断电压，表示,u,GS,=,U,GSoff,时,i,D,为零10,,u,G,S,/,V,0,－,1,－,2,－,3,1,2,3,4,5,I,DSS,U,GS,off,i,D,/,mA,(a),转移特性曲线,为保证场效应管正常工作，,PN,结必须加反向偏置电压,问题：,若,U,DS,增大，转移特性曲线如何变化？,分析：,U,DS,增大，多子形成的漂移电流增大，,I,D,增加，转移特性曲线上移。

11,,2,、,U,DS,对场效应管,I,D,的影响（输出特性曲线）,输出特性曲线分为四个区域,12,,图,3.1.4 JFET,的转移特性曲线和输出特性曲线,(a),输出特性曲线,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,变,电,阻,区,恒,截止区,－,2,V,－,1,.5V,－,1,V,u,DS,＝,u,G,S,－,U,GSoff,5,15,流,区,击,穿,区,U,GS,＝,0V,U,GSoff,－,0,.,5V,13,,当,u,DS,=0,时，,i,D,=0,当,u,DS,很小时，,u,DS,↑→,i,D,↑(,近似线性增大,),,1.,可变电阻区（相当于晶体管的饱和区）,14,,,u,GS,对,i,D,上升的斜率影响较大，在这一区域内，,JFET,可看作一个受,u,GS,控制的可变电阻，即漏、源电阻,r,DS,=,f,(,u,GS,),，故称为,可变电阻区,15,,当,u,DS,较大时，靠近,D,极的,u,DG,的反偏电压↑,,→靠近,D,极的耗尽层变宽,,→导电沟道逐渐变窄，沟道电阻↑,,→,“预夹断”出现,预夹断的条件,为：,或,16,,2.,恒流区（相当于晶体管的放大区）,当漏、栅间电压,|,u,DG,|,>,|,U,GSoff,|,时，即预夹断后所对应的区域。

17,,当,U,GS,一定时：,u,DS,↑→,漂移电流,↑→,i,D,↑,，,,但同时,u,DS,↑→D,结变宽,↑→,i,D,↓,，因此,i,D,变化很小，只是略有增加因此：,u,DS,对,i,D,的控制能力很弱类似基区宽度调制效应）,18,,当,U,GSoff,,<,U,GS,<0,时，,i,D,与,u,GS,关系符合,u,GS,对,i,D,控制能力很强,19,,当,|,U,GS,|>|,U,GSoff,|,时，沟道被全部夹断，,i,D,=0,，,故此区,为截止区3.,截止区,20,,4.,击穿区,随着,u,DS,增大，靠近漏区的,PN,结反偏电压,u,DG,(=,u,DS,-,u,GS,),也随之增大 当,u,DG,=,u,BR(DSO,),时在,PN,节靠近漏极处发生雪崩击穿21,,3.1.2,绝缘栅场效应管,(IGFET),绝缘栅场效应管,(insulated-gate field-effect transistor ),是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也称为表面场效应器件IGFET,最常用的是金属氧化物半导体,MOSFET,(Metal,Oxide Semiconductor FET),22,,优点：,,（,1,）输入偏流小，输入电阻高达,10,10,,。

2,）制造工艺简单；,,（,3,）热稳定性好IGFET,分类：,,（,1,）根据导电类型，分为,N,沟道,和,P,沟道,两类2,）根据,u,GS,=0,时，漏源之间是否有导电沟道又可分为,增强型,（无,I,D,）和,耗尽型,（有,I,D,）两种23,,MOSFET,N,沟道,P,沟道,增强型,N-EMOSFET,耗尽型,增强型,耗尽型,N-DMOSFET,P-EMOSFET,P-DMOSFET,24,,源极,栅极,漏极,氧化层,(,SiO,2,),B,W,P,型衬底,N,＋,N,＋,L,耗,尽,层,A1,层,S,G,D,(a),立体图,,绝缘栅场效应管的结构,25,,图,3.1.5,绝缘栅,(,金属,-,氧化物,-,半导体,),场效应管结构示意图,(b),剖面图,S,G,D,N,＋,N,＋,P,型硅衬底,绝缘层,(,SiO,2,),衬底引线,B,半导体,26,,N,沟道增强型,MOSFET (Enhancement NMOSFET),一、导电沟道的形成及工作原理,D,G,S,(,c,),符号,B,B,N,＋,U,GS,N,＋,PN,结,(,耗尽层,),P,型衬底,D,S,27,,B,(a),U,GS,<,U,GSth,，,导电沟道未形成,N,＋,U,GS,N,＋,PN,结,(,耗尽层,),P,型衬底,图,3.1.6 N,沟道增强型,MOS,场效应管的沟道形成及符号,开启电压,U,GSth,沟道形成原理：,S,D,28,,B,N,＋,导电沟道,（反型层）,P,型衬底,U,GS,N,＋,(b),U,GS,>,U,GSth,，,导电沟道已形成,u,GS,越大,→,沟道越宽,→,沟道电阻越小,→,i,D,越大,这种必须依靠,G-S,电压作用才能形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。

29,,图,3-7 E—NMOSFET,的转移特性,二、转移特性,(1),当,u,GS,<,U,GSth,时，,i,D,=0,2),当,u,GS,>,U,GSth,时，,i,D,>0,，,u,GS,越大，,,i,D,也随之增大，二者符合平方律关系30,,31,,B,N,＋,导电沟道,P,型衬底,U,GS,N,＋,三、,u,DS,对沟道导电能力的控制（输出特性）,32,,i,D,0,u,D,S,U,GS,＝,6V,截止区,4,V,3,V,2,V,5,V,可,变,电,阻,区,(,a,),恒,流,区,区,穿,击,图,3.1.9,输出特性,,33,,(1),截止区：,u,GS,≤,U,GSth,，,导电沟道未形成，,i,D,=0,B,N,＋,U,GS,N,＋,PN,结,(,耗尽层,),P,型衬底,S,D,34,,(2),恒流区,·,曲线间隔均匀，,u,GS,对,i,D,控制能力强·,u,DS,对,i,D,的控制能力弱，曲线平坦·,进入恒流区的条件，即预夹断条件为,即：,|,u,GD,|<,U,GSth,i,D,0,u,D,S,U,GS,＝,6V,截止区,4,V,3,V,2,V,5,V,可,变,电,阻,区,(,a,),恒,流,区,区,穿,击,35,,,(b),厄尔利电压,u,D,S,i,D,0,U,G,S,U,A,(,厄,尔利电压,),沟道调制系数,λ,：厄尔利电压,U,A,的倒数，,曲线越平坦,→,|U,A,|,越大,→,λ,越小。

36,,考虑,u,DS,对,i,D,的微弱影响,,,恒流区的电流方程为：,但,λ<<1,，则 ：,37,,(3),可变电阻区：,i,D,0,u,D,S,U,GS,＝,6V,截止区,4,V,3,V,2,V,5,V,可,变,电,阻,区,(,a,),恒,流,区,区,穿,击,38,,N,沟道耗尽型,,MOSFET,,(Depletion NMOSFET),特点：在,u,GS,=0,时，就存在导电沟道（称原始导电沟道）39,,只要,u,DS,>0,就有,i,D,电流，且,u,GS,↑→,i,D,↑,；,当,u,GS,减小为负值时，,i,D,↓,；,当,u,GS,=,U,GSoff,时，,i,D,=0,，管子进入截止状态40,,式中：,I,D0,表示,u,GS,=0,时所对应的漏极电流41,,图,3.1.10 N,沟道耗尽型,MOS,管的特性及符号,(a),转移特性；,(b),输出特性；,(c),表示符号,42,,图,3.1.10 N,沟道耗尽型,MOS,管的特性及符号,,(a),转移特性；,(b),输出特性；,(c),表示符号,(,c,),D,G,S,B,43,,各种类型,MOS,管的符号及特性对比,D,G,S,D,G,S,N,沟道,P,沟道,结型,FET,各种场效应管的符号对比,44,,各种场效应管的符号对比,45,,46,,图,3―12,各种场效应管的转移特性和输出特性对比,,,(a),转移特性；,(b),输出特性,u,D,S,i,D,0,线性,可变电阻区,0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,－,1,－,2,－,3,－,3,－,4,－,5,－,6,－,7,－,8,－,9,结型,P,沟,耗尽型,MOS,P,沟,－,3,－,4,－,5,－,6,0,－,1,－,2,0,1,2,3,－,1,－,2,－,3,3,4,5,6,7,8,9,结型,N,沟,耗尽型,增强型,MOS,N,沟,U,GS,/,V,U,GS,/,V,增强型,47,,各种类型场效应管的工作区间小结：,JFET,,U,GSoff,U,GSoff,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,截止区：,GS,结夹断。

可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,48,,U,GSoff,U,GSoff,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,截止区：,GS,结夹断可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,截止区：,可变电阻区 ：,,且,恒流区：,,且,49,,在恒流区满足：,50,,E-MOSFET(,增强型,),U,GSth,U,GSth,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,截止区：,GS,结夹断可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,51,,U,GSth,U,Gsth,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,截止区：,GS,结夹断可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,截止区：,可变电阻区 ：,且,恒流区：,且,对于,N,沟道：,52,,U,GSth,U,Gsth,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,截止区：,GS,结夹断可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,截止区：,可变电阻区 ：,且,恒流区：,且,对于,P,沟道：,53,,在恒流区满足：,54,,D-MOSFET(,耗尽型,),截止区：,GS,结夹断。

可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,U,GS,off,U,GS,off,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,55,,截止区：,GS,结夹断可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,截止区：,可变电阻区 ：,且,恒流区：,且,对于,N,沟道：,U,GS,off,U,GS,off,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,56,,截止区：,GS,结夹断可变电阻区：,GS,结未夹断，,GD,结未夹断,,恒流区：,GS,结未夹断，,GD,结夹断,截止区：,可变电阻区 ：,且,恒流区：,且,对于,P,沟道：,U,GS,off,U,GS,off,N,沟道,P,沟道,u,GS,i,D,57,,在恒流区满足：,58,,3.2,场效应管放大器,场效应管有三种基本放大电路：共源、共漏和共栅其偏置电路也要保证管子工作在恒流区由于场效应管的输入电流近似为,0,，因此它是电压控制器件需要选择合适的,U,GS,和,U,DS,以保证管子工作在恒流区59,,3.2.2,场效应管偏置电路,常用的有两种偏置电路：,R,D,U,DD,R,S,(,自偏压,电阻,),u,i,R,G,V,(,a,),R,D,U,DD,R,S,(,自偏压,电阻,),u,i,R,G2,(,b,),R,G1,(,分压式,偏置,),图,3.2.3,场效应管偏置方式,,,(a),自给偏置方式；,(b),分压式偏置方式,60,,自偏压式,：特点是,U,GS,<0,。

适合,JFET,和,DMOSFET,,分压式偏置方式,：三种场效应管都适合,R,D,U,DD,R,S,(,自偏压,电阻,),u,i,R,G,V,(,a,),R,D,U,DD,R,S,(,自偏压,电阻,),u,i,R,G2,(,b,),R,G1,(,分压式,偏置,),61,,例：设,u,GSoff,= -5V,，,I,DSS,=1mA,，试估算电路的静态工作点R,1,R,2,R,3,R,D,R,S,20V,10k,62,,解：画直流通路由转移特性方程和栅源直流负载线方程联立成方程组求解，即可得工作点R,1,R,2,R,3,R,D,R,S,20V,因为,i,G,=0,，所以：,63,,输入回路满足：,R,1,R,2,R,3,R,D,R,S,10k,20V,同时在放大区满足：,64,,联立上述两方程，得到：,I,D,1,=0.61mA,，,I,D,2,=1.64mA,将,I,D,1,=0.61,，,I,D,2,=1.64mA,代入（,1,）式，分别得到,U,GS,1,=-1.1V,，,U,GS,2,=-11.4V,——,（,1,）,——,（,2,）,因为,U,GS,2,<,U,GSoff,，所以,I,D,2,舍去。

65,,R,1,R,2,R,3,R,D,R,S,10k,20V,则：,U,DSQ,=20-0.61×(10+10)=7.8V,因此：,I,DQ,=0.61mA,U,GSQ,=-1.1V,66,,图,3.2.4,图解法求直流工作点,,(b),混合偏置方式,图解法,R,1,R,2,R,3,R,D,R,S,10k,20V,67,,R,D,U,DD,R,S,,,,u,i,R,G,V,(,a,),问题：对于自偏压式，如何联立方程？,68,,图,3.2.4,图解法求直流工作点,,(a),自偏压方式,图解法,R,D,U,DD,R,S,,,,u,i,R,G,V,(,a,),69,,,3―4―2,场效应管放大器分析,求解交流小信号等效电路与双极型晶体管类似只是场效应管的输入电流为,0,，因此输出电流,i,D,只受输入电压控制，不受输入电流控制控制能力用跨导,g,m,表示70,,交流小信号等效电路：,,g,m,u,GS,r,ds,u,GS,+,-,G,S,D,r,ds,是反映了器件的沟道调制效应71,,g,m,的求法：,,①,对,JFET,和耗尽型,MOS,管，,则对应工作点,Q,的,g,m,为：,72,,g,m,的求法：,,②,对增强型,MOSFET,，,则对应工作点,Q,的,g,m,为：,73,,图,3.3.2,共源放大器电路及其低频小信号等效电路,(a),电路；,(b),低频小信号等效电路,一、共源放大器,74,,图,3―16,共源放大器电路及其低频小信号等效电路,(a),电路；,(b),低频小信号等效电路,75,,式中， ，且一般满足,R,D,‖,R,L,<<,r,ds,。

所以，共源放大器的放大倍数,A,u,为,若,g,m,=5mA/V，则,A,u,=50①,Au,：,,76,,输入电阻：,,输出电阻：,77,,例,3.3.2,： 场效应管放大器电路如图,3.3.3,所示，已知工作点的,g,m,=5mA/V,，,试画出低频小信号等效电路，并计算增益,A,u,u,i,＋,－,C,2,C,1,C,3,R,D,u,o,＋,－,R,G1,R,G3,R,S2,U,DD,R,G2,＋,R,S1,150k,50k,2k,10k,1k,＋,＋,1M,R,L,1M,g,m,＝,2mA/V,(a),78,,,g,m,u,GS,r,dS,u,i,+,-,G,S,D,R,S,1,R,G,3,R,G,1,R,G,2,R,D,R,L,u,o,+,-,解：低频小信号模型如上图所示79,,(,a,),C,2,C,1,R,G1,R,S,U,DD,R,G2,150k,50k,2k,＋,＋,R,L,10k,U,o,.,R,G3,1M,＋,－,＋,－,U,i,.,g,m,＝,2mA/V,图,3.3.4,共漏电路及其等效电路,,,(a),电路；,(b),等效电路,二、共漏放大器,80,,,g,m,u,GS,r,dS,u,i,+,-,G,S,D,R,S,R,G,3,R,G,1,R,G,2,R,L,u,o,+,-,①,A,u,：,81,,,g,m,u,GS,r,dS,u,i,+,-,G,S,D,R,S,1,R,G,3,R,G,1,R,G,2,R,L,u,o,+,-,或：,82,,,2.,输出电阻,R,o,83,,图,3.3.5,计算共漏电路输出电阻,R,o,的等效电路,,g,m,U,gs,G,S,D,R,S,U,o,+,-,I,O,84,,图,3.3.5,计算共漏电路输出电阻,R,o,的等效电路,由图可见,式中：,85,,所以，输出电阻为,故,86,,,3.,输入电阻,,g,m,u,GS,r,dS,u,i,+,-,G,S,D,R,S,1,R,G,3,R,G,1,R,G,2,R,L,u,o,+,-,87,,88,,作 业,3.1,3.3,3.12,89,,。