南京邮电大学模拟电子线路第3章场效应管及其基本电路

1、2021-10-22K0400041S 模拟电子线路1第第3章场效应晶体管及其放大电路章场效应晶体管及其放大电路 3.1场效应晶体管场效应晶体管3.1.1 结型场效应管结型场效应管一、结型场效应管的结构一、结型场效应管的结构二、结型场效应管的工作原理二、结型场效应管的工作原理三、特性曲线三、特性曲线1.输出特性曲线输出特性曲线2.转移特性曲线转移特性曲线3.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)一、一、N沟道增强型沟道增强型MOSFET 二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET2021-10-22K0400041S 模拟电子线路23.1.3 场效应管的参数场效应管的参数一、直流

2、参数一、直流参数 二、极限参数二、极限参数三、交流参数三、交流参数3.2 场效应管工作状态分析及其偏置电路场效应管工作状态分析及其偏置电路 3.2.1 场效应管工作状态分析场效应管工作状态分析一、各种场效应管的符号对比一、各种场效应管的符号对比二、各种场效应管的特性对比二、各种场效应管的特性对比三、三、BJT与与FET工作状态的对比工作状态的对比四、场效应管工作状态的判断方法四、场效应管工作状态的判断方法2021-10-22K0400041S 模拟电子线路33.2.2 场效应管偏置电路场效应管偏置电路一、自偏置电路一、自偏置电路二、分压偏置电路二、分压偏置电路3.3场效应管放大电路场效应管放大

3、电路3.3.1 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型3.3.2共源放大器共源放大器3.3.3共漏放大器共漏放大器作作 业业2021-10-22K0400041S 模拟电子线路4第第3章场效应晶体管及其放大电路章场效应晶体管及其放大电路 （1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）掌握放大电路静态工作点和动态参数（ ）的分

4、析方法。）的分析方法。omoiURRAu、2021-10-22K0400041S 模拟电子线路5场效应晶体管（场效应晶体管（场效应管场效应管）利用多数载流子的）利用多数载流子的漂移运动形成电流。漂移运动形成电流。 场效应管场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管结型场效应管JFET(Junction FET)绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管IGFET(Insulated Gate FET)双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流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。子的扩散运动形成电流。2021-10-22K0400041S 模拟电子线路

5、63.1.1 结型场效应管结型场效应管N型型沟沟道道PPDGSDSG(a)N沟道沟道JFET图图3.1.1结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极栅极Source源极源极Drain 漏极漏极箭头方向表示栅箭头方向表示栅源间源间PN结若加结若加正向偏置电压时正向偏置电压时栅极电流的实际栅极电流的实际流动方向流动方向ID实际实际流向流向结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构.avi一、结型场效应管的结构一、结型场效应管的结构3.1场效应晶体管场效应晶体管2021-10-22K0400041S 模拟电子线路7P型型沟沟道道NNDGSDSG(b)P沟道

6、沟道JFETID实际实际流向流向图图3.1.1结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号2021-10-22K0400041S 模拟电子线路8NDGSPP(a) UGS =0，沟道最宽，沟道最宽图图3.1.2栅源电压栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图对沟道的控制作用示意图二、结型场效应管的工作原理二、结型场效应管的工作原理),(DSGSDuufi 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路9(b) UGS负压增大，沟道变窄负压增大，沟道变窄DSPPUGS图图3.1.2栅源电压栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图对沟道的控制作用示意图横向电场作用：横向电

7、场作用：UGS沟道宽度沟道宽度 PN结耗尽层宽度结耗尽层宽度2021-10-22K0400041S 模拟电子线路10(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断负压进一步增大，沟道夹断DSPPUGSUGSoff夹断电压夹断电压图图3.1.2栅源电压栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图对沟道的控制作用示意图2021-10-22K0400041S 模拟电子线路11DGSUDSUGSIDPP 0沟道预夹断沟道预夹断DGS(a)uGDUGSoff（预夹断前）（预夹断前）UDSID 0UGSPP 图图3.1.3 uDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 uGD=UGSoff（预夹断时）（预夹断时）纵向电场作用：

8、在沟道造成楔型结构（上窄下宽）纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上窄下宽）2021-10-22K0400041S 模拟电子线路12由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不变。变。DGSUDSUGS沟道局部夹断沟道局部夹断IDPP几乎不变几乎不变(b) uGDUGSoffuGSUGSoff;或或uDSuGS-UGSoffuGSUGSoff;uGDUGSoffiD的大小几乎不的大小几乎不受受uDS的控制。的控制。uGS对对iD的控制能的控制能力很强力很强。

9、2021-10-22K0400041S 模拟电子线路16图图3.1.4 (a) JFET的输出特性曲线的输出特性曲线1234iD/ /mA01020uDS/ /V可可变变电电阻阻区区恒恒截止区截止区2V1.5V1VuDSuGS SUGSoff515流流区区击击穿穿区区UGS0VUGSoff0 0.5ViD=0(3) 截止区截止区UGSUGSoff(4)击穿区击穿区uDG(=uDS-uGS)增大引起增大引起PN结结击穿。击穿。 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路172.转移特性曲线转移特性曲线Cuufi DS)(GSDuGS0， iD0从输出特性曲线作转移特性曲线示意图从输出特

10、性曲线作转移特性曲线示意图转移特性曲线转移特性曲线.aviuGS/ / V0-1-2-31234IDSSUGSoffiD/ /mA1234iD/ /mA01020uDS/ / V恒恒-1VuDS= = uGS S- -UGSoff515流流区区击击穿穿区区UGS=0V=0VUGSoff-0.5V-1.5V-2V2021-10-22K0400041S 模拟电子线路18uGS/ /V0-1-2-312345IDSSUGSoffiD/ /mA为保证场效应管正常工作，为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压。结必须加反向偏置电压。图图3.1.4(b) JFET的转移特性曲线的转移特性曲线2GS

11、offGSDSSD)1(UuIi 恒流区中：恒流区中：IDSS饱和电流，饱和电流， 表示表示uGS=0时的时的iD值；值；UGSoff夹断电压，夹断电压， 表示表示uGS=UGSoff时时iD=0。2021-10-22K0400041S 模拟电子线路193.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比抗比JFET的反偏的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，结的阻抗更大。功耗低，集成度高。集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种），这种IGFET称为金属称为金属氧化物氧化物半导体场效

12、应管，用半导体场效应管，用符 号符 号 M O S F E T 表 示 （表 示 （ M e t a l O x i d e Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。等。1.简介简介2021-10-22K0400041S 模拟电子线路20MOSFETN沟道沟道P沟道沟道增强型增强型N-EMOSFET耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET2.分类分类2021-10-22K0400041S 模拟电子线路21一、一、N沟道增强型沟道增强

13、型MOSFET (Enhancement NMOSFET)1. N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构 源极源极栅极栅极漏极漏极氧化层氧化层(SiO2)BWP型衬底型衬底NNL耗耗尽尽层层A1层层SGD图图3.1.5 MOSFET结构示意图结构示意图(a)立体图立体图 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路22图图3.1.5 MOSFET结构示意图结构示意图(b)剖面图剖面图SGDNNP型硅衬底型硅衬底绝缘层绝缘层(SiO2)衬底引线衬底引线B半导体半导体N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号的结构示意图和符号.avi金属金属(A1)2021-10-22K0

14、400041S 模拟电子线路23UGS=0，导电沟道未形成，导电沟道未形成PN结结(耗尽层耗尽层) )NNP型衬底型衬底DSG2.N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路24B(a) UGSUGSth，导电沟道已形成导电沟道已形成栅源电压栅源电压VGS对沟道的影响对沟道的影响.avi图图3.1.6 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号场效应管的沟道形成及符号2021-10-22K0400041S 模拟电子线路26 uDS增大，沟道预夹断前情况增大，沟道预夹断前情况BUDSP型衬底型衬底UGSN+N+2021-1

15、0-22K0400041S 模拟电子线路27图图3.1.8 uDS增大，沟道预夹断时情况增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底型衬底UGSN+N+预夹断预夹断2021-10-22K0400041S 模拟电子线路28 uDS增大，沟道预夹断后情况增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底型衬底UGSN+N+漏源电压漏源电压VDS对沟道的影响对沟道的影响.avi2021-10-22K0400041S 模拟电子线路29 图图3.1.9N沟增强型沟增强型MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线 iD0uDSUGS6V截止区截止区4V3V2V5V可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区区区穿穿击击GSthGSDSU

16、uu (1)截止区截止区uGSUGSth;或或uDSUGSth3. N沟增强型沟增强型MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线2021-10-22K0400041S 模拟电子线路30 图图3.1.9N沟增强型沟增强型MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线 iD0uDSUGS6V截止区截止区4V3V2V5V可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区区区穿穿击击GSthGSDSUuu (3)恒流区恒流区uGSUGSth;uGDuGS-UGSth2021-10-22K0400041S 模拟电子线路31uGS/ /V032112345UGS thiD/ /mA图图3.1.7 N沟道增强型沟道增强型MOSFET

17、的转移特性曲线的转移特性曲线 2)(GSthGSDUuLWki 20)(GSthGSUuk 4. N沟增强型沟增强型MOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线 恒流区恒流区2021-10-22K0400041S 模拟电子线路32二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET(Depletion NMOSFET)UGS=0，导电沟道已形成导电沟道已形成BN导电沟道导电沟道（反型层）（反型层）P型衬底型衬底N2021-10-22K0400041S 模拟电子线路33图图3.1.10N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的特性及符号管的特性及符号(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)电路符号电

18、路符号1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路34(c)DGSB图图3.1.10N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的特性及符号管的特性及符号(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)电路符号电路符号2GSoffGSDSSD)1(UuIi 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路353.1.3 场效应管的参数场效应管的参数一、直流参数一、直流参数 1.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS： 2.夹断电压夹断电压UGSoff：当栅源电压：当栅源电压uGS=UGSoff

19、时，时，iD=0。对应对应uGS=0时的漏极电流。时的漏极电流。3.开启电压开启电压UGSth。4.输入电阻输入电阻RGSJFET，RGS在在1081012之间之间;MOSFET，RGS在在10101015之间。之间。通常认为通常认为RGS 。2021-10-22K0400041S 模拟电子线路36 二、极限参数二、极限参数(1)栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗最大功耗PDM：PDM=IDUDS2021-10-22K0400041S 模拟电子线路37三、交流参数三、交流参数1.跨导跨导gm)V/m(DSGSDmCududi

20、g 对对JFET和和DMOSFET2GSoffGSDSSD)1(UuIi 那么那么DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDm2)1(IIUIUuUIdudig DQQGSDmIdudig 2GSthgs0D)(Uuki 对对EMOSFET那么那么DQ0m2Ikg 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路382.输出电阻输出电阻rds GSQDDSdsudidur 恒流区的恒流区的rds可以用下式计算可以用下式计算UA为厄尔利电压。为厄尔利电压。DQAdsIUr 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路39DGSDGSN沟道沟道P沟道沟道JFET一

21、、各种场效应管的符号对比一、各种场效应管的符号对比3.2.1 场效应管工作状态分析场效应管工作状态分析3.2 场效应管工作状态分析及其偏置电路场效应管工作状态分析及其偏置电路 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路40DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道沟道P沟道沟道增强型增强型N沟道沟道P沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET2021-10-22K0400041S 模拟电子线路41JFET：利用栅源电压（利用栅源电压（ 输入电压）对输入电压）对耗尽层厚度耗尽层厚度的控制的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控

22、制。的控制。MOSFET：利用栅源电压（利用栅源电压（ 输入电压）对输入电压）对半导体表面感生半导体表面感生电荷量电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。流（输出电流）的控制。FET输入输入电压电压输出输出电流电流GSSDuGSiD二、各种场效应管的特性对比二、各种场效应管的特性对比2021-10-22K0400041S 模拟电子线路42iDuGSUGSoff0IDSSIDSSUGSth结型结型P沟沟耗尽型耗尽型P P沟沟增强型增强型P P沟沟MOS耗尽型耗尽型N N沟沟增强型增强型N N沟沟MOS结型结型N N沟沟N

23、沟道：沟道：0D iP沟道：沟道：0D i图图3.2.1 (a)各种场效应管的转移特性对比各种场效应管的转移特性对比 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路43N沟道：沟道：0D iP沟道：沟道：0D i)(GSthGSoffGSDSuuuu uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区01234560123-1-2-3-3-4-5-6-7-8-9结型结型P P沟沟耗尽型耗尽型MOS P沟沟-3-4-5-60-1-20123-1-2-33456789结型结型N N沟沟耗尽型耗尽型增强型增强型MOS N沟沟UGS/ /V增强型增强型UGS/ /V图图3.2.1(b)各种场效应管的输出特

24、性对比各种场效应管的输出特性对比 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路44放大放大饱和饱和/可变电阻可变电阻截止截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBE(on)BEUu 0BC uBE(on)BEUu 0BC uBE(on)BEUu 0BC uBE(on)BEUu 0BC u)(GSthGSoffGSUUu BE(on)BEUu 0BC uBE(on)BEUu 0BC u)(GSthGSoffGSUUu )(GSthGSoffGDUUu )(GSthGSoffGSUUu )(GSthGSoffGSUUu )(GSthGSoffGDUUu )(GSthGSoffG

25、SUUu )(GSthGSoffGSUUu )(GSthGSoffGDUUu )(GSthGSoffGDUUu 三、三、BJT与与FET工作状态的对比工作状态的对比2021-10-22K0400041S 模拟电子线路45四、场效应管工作状态的判断方法四、场效应管工作状态的判断方法1.假设处于假设处于截止状态截止状态2.假设处于假设处于放大状态放大状态)(NGSthGSoffGSDSUUuu 沟道：沟道：)(:GSthGSoffGSUUuN 沟道沟道)(:GSthGSoffGSUUuP 沟沟道道)(PGSthGSoffGSDSUUuu 沟道：沟道：)(GSthGSoffGDUUu )(GSthG

26、SoffGDUUu 或或或或指导思想：假设处于某一指导思想：假设处于某一状态状态，然后用计算结果验，然后用计算结果验证假设是否成立。证假设是否成立。2021-10-22K0400041S 模拟电子线路46RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG例例 3.2.1 判断图判断图3.2.2所示的场效应管电路，管子的所示的场效应管电路，管子的IDSS=3mA,UGSoff=-5V，管子工作在什么区间？，管子工作在什么区间？ 图图 3.2.2 场效应管电路场效应管电路1.假设处于假设处于截止状态截止状态GSoffGSuu 应有应有而而)V5(V2GSoffGS Uu2.假设处于假设处于放大状态

27、放大状态GSoffGSDSUuu 应有应有2021-10-22K0400041S 模拟电子线路472GSoffGSDSSD1 UUIiV436. 608. 13 . 310DS uV352GSoffGS Uu而而RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGGmA08. 152132 GSoffGSDSUuu 满足满足故管子工作在放大区。故管子工作在放大区。 图图 3.2.2 场效应管电路场效应管电路2021-10-22K0400041S 模拟电子线路483.2.2 场效应管偏置电路场效应管偏置电路偏置电路偏置电路自偏置电路自偏置电路分压偏置电路分压偏置电路 确定直流工作点方法确定直流工作点

28、方法图解法图解法解析法解析法 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路49 图图3.2.3场效应管偏置电路场效应管偏置电路RDUDDRSuiRGVRDUDDRSuiRG2RG1(b)分压偏置电路分压偏置电路 (a)自偏置电路自偏置电路只适宜只适宜 JFET、DMOSFET适宜所有适宜所有FET2021-10-22K0400041S 模拟电子线路50一、自偏置电路一、自偏置电路SDGSRiu 栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程RDUDDRSuiRGV图图3.2.4 (a)图解法求自偏压电路的直流工作点图解法求自偏压电路的直流工作点S1R Q2021-10-22K040004

29、1S 模拟电子线路512GSoffGSDSSD)1(UUIi 解析法：由解析法：由电流方程电流方程及及栅源直流负载线方程栅源直流负载线方程联立求解联立求解RDUDDRSuiRGVSDGSRiu 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路52图图3.2.4 (b)图解法求分压偏置电路直流工作点图解法求分压偏置电路直流工作点SDDDG2G1G2GSRiURRRu 二、分压偏置电路二、分压偏置电路栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程RDUDDRSuiRG2RG1S1R 2021-10-22K0400041S 模拟电子线路53RDUDDRSuiRG2RG1SDDDG2G1G2GSRi

30、URRRu 2GSthgs0D)(Uuki 解析法：由解析法：由电流方程电流方程及及栅源直流负载线方程栅源直流负载线方程联立求解联立求解2021-10-22K0400041S 模拟电子线路54),(DSGSDuufi 若输入为正弦量，上式可改写为若输入为正弦量，上式可改写为dsdsgsmd1UrUgI 通常通常rds较大，较大，Uds对对Id的影响可以忽略，则的影响可以忽略，则3.3.1 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型gsmdUgI DSdsGSmDSDSDGSGSDD1durdugduuiduuidi 3.3场效应管放大电路场效应管放大电路2021-10-22K040004

31、1S 模拟电子线路55rdsgmUgsUdsIdDS图图3.3.1 场效应管低频小信号模型场效应管低频小信号模型dsdsgsmd1UrUgI GS2021-10-22K0400041S 模拟电子线路563.3.2共源放大器共源放大器图图3.3.2 (a)共源放大器电路共源放大器电路UiC2C1RDRG1RSUDD=20VRG2+150k50k2k10k+RL1MUoRG31MC3例例 3.3.1共源放大电路如图共源放大电路如图3.3.2（a）所示，场效应管的）所示，场效应管的gm=5mA/V，分析该电路的交流性能指标，分析该电路的交流性能指标Au、Ri和和RO。 2021-10-22K0400

32、041S 模拟电子线路57图图3.3.2 (b)共源放大器电路低频小信号等效电路共源放大器电路低频小信号等效电路 M04. 1/G2G1G3iRRRR k10/DdsDoRrRR)/(LDdsgsmoRRrUgU 50)/(LDmio RRgUUAurdsDSUoRDRL+_+_UiGRG3RG2RG1gmUgs2021-10-22K0400041S 模拟电子线路58uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm5mA/V图图3.3.2 (a)含有源极电阻的共源放大电路含有源极电阻的共源放大电路例例3.3.2 试画出低频小信号等效电路，

33、并计算增益试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。2021-10-22K0400041S 模拟电子线路59图图3.3.2 (b)含有源极电阻的共源放大电路的等效电路含有源极电阻的共源放大电路的等效电路)/()/(LDgsmLDdoRRUgRRIU s1gsmgsiRUgUU 3 . 8)/(1LmLDS1mmio RgRRRggUUAugmUgsDSUoRS1RDRLrds+_+_UiGRG3RG2RG12021-10-22K0400041S 模拟电子线路60C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V图图3.3.4 (a)共漏电路共漏电路3.3.3共漏放大器共漏放大器2