第3章 场效应ppt课件

1、3 3 场效应晶体管及其放大电路场效应晶体管及其放大电路 3.2 3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管3.3 3.3 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管，简称场效应管，简称FET(Field Effect Transistor )FET(Field Effect Transistor )，其主要特点：其主要特点：(a) 输入电阻高，可达输入电阻高，可达107 1015W。(b) 起导电作用的是多数载流子，又称为单极型晶体管。起导电作用的是多数载流子，又称为单极型晶体管。(c) 体积小、重量轻、耗电省、寿命长。体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d

2、) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e) 在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管 3.1.1 JFET 3.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 3.1.2 JFET 3.1.2 JFET的特性曲线的特性曲线 3.1.3 JFET的主要电参数的主要电参数 3.1.1 JFET3.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1、构造 图示为N沟道结型场效应管的结构与符号，结型场效应管符号中的箭头，表示由P区指向N区。2、工作原理（1当

3、栅源电压uGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小，如下图。（2当uGS0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大，如下图。 uGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄。继续变窄。当沟道夹断时，对应的当沟道夹断时，对应的栅源电压栅源电压uGS称为夹断称为夹断电压电压UGS(off) 。对于对于N沟道的沟道的JFET， UGS(off) 0。 （3当UGS(off) 0时，可产生漏极电流iD。 iD的大小将随栅源电压uGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。 uDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附

4、近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形，如下图。 当当uDS增加到使增加到使uGD= UGS(off) 时，在紧靠漏极处出现预夹断。时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时此时uDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻iD基本不变基本不变综上所述，可得下述结论：（1JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此其iG 约等于零，输入电阻的阻值很高；（2JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制；（3预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系，预夹断后，iD趋于饱和

5、。3.1.2 JFET的特性曲线的特性曲线const.DSDGS)(uufi1. 1. 输出特性输出特性 图示即为N沟道场效应管的输出特性曲线，它与NPN型三极管的输出特性曲线相似，可以分为四个区. 可变电阻区恒流区截止区击穿区各区的特点：（1截止区夹断区）：当uGS UGS(off) 时，导电沟道被夹断，iD=0称为截止区。 （2可变电阻区：又称非饱和区，是预夹断前的区域。此时沟道尚未出现预夹断，管子可以看作是一个由电压控制的可变电阻。图中左边的一条虚线为预夹断轨迹。当 ， 时，则N沟道JFET工作在可变电阻区，其伏安特性可表示为其中Kn为电导常数。 0)(GSoffGSuU)(offGSG

6、SDSUuu)(22)(DSDSoffGSGSnDuuUuKi（3恒流区：又称饱和区或放大区，是预夹断后的区域，管子漏极电流iD几乎不随uDS变化，主要由uGS决定。在此区域，场效应管可以看作一个恒流源。利用场效应管做放大管时，管子在此区域工作。 当 ， 时，JFET工作在饱和区，此时0)(GSoffGSuU)(offGSGSDSUuu2)()(offGSGSnDuuKi（4击穿区：当uDS增大到一定程度时，栅漏极间PN结发生雪崩击穿，iD迅速增大。如果不加限制，管子将会电击穿。管子不允许在此区域工作。 2. 2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)(uufi)0 () 1 (GSGS

7、(off)2GS(off)GSDSSDuuUUIi 转移特性反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。 当uGS=0时，导电沟道电阻最小，iD最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。 当uGS= UGS(off)时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时iD=0，称UGS(off)为夹断电压。1.直流参数 (1)夹断电压UGS(off) (2)零偏漏极电流IDSS (3)直流输入电阻RGS 2.交流参数 (1)跨导gm (2)极间电容 3.1.3 JFET的主要电参数的主要电参数 绝缘栅型场效应管是由金属Metal）、氧化物Oxide和半导体Semiconductor材料构成的，因此

8、又叫MOS管，可以用MOSFET表示。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。 增强型和耗尽型的区别是：当uGS=0时，存在导电沟道的称为耗尽型，不存在导电沟道的称为增强型。 3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管3.2.1 N沟道增强型MOS管1.结构与符号 符号中的箭头表示从P区衬底指向N区N沟道），虚线表示增强型。 2. N沟道增强型MOS管的工作原理 （1uGS对沟道的控制作用当当uGS0uGS0时时 无导电沟道，无导电沟道， d、s间加电压时，也间加电压时，也无电流产生。无电流产生。当当0uGS UT 0uGS UT uGS UT 时时 在电场作用

9、下产生导电沟道，在电场作用下产生导电沟道，d、s间间加电压后，将有电流产生。加电压后，将有电流产生。 uGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚（2uDS对iD的影响 iD随随uDS的的增大而增大，增大而增大，可变电阻区可变电阻区 uGDUT,预夹预夹断断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒流区恒流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻3.伏安特性曲线及大信号特性方程 MOSFET的输出特性是指在栅源电压uGS一定的条件下，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系，即常数GSDSDuufi 该输出特性曲线与结型场效应管相似，MOS

10、FET有三个工作区域：可变电阻区、饱和区、截止区。（1截止区：当uGSUT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。（2可变电阻区：当uDS（uGSUT时， 其中Kn为电导常数。 )(2 2DSDSTGSnDuuUuKi（3饱和区又称恒流区或放大区）：当uGS UT且uDS（uGSUT时，MOSFET进入饱和区，此时 2TGSnD )(UuKi 由于饱和区内， iD受uDS的影响很小，因此在饱和区内不同uDS下的转移特性基本重合。 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图所示。其主要特点为：（1当uGS UT时，iD 0，uGS越大，iD也随之增大，两者符合平方律的关系。（1构造、符号与工作

11、原理3.2.2 N沟道耗尽型MOS管 耗尽型在uGS =0时就存在导电沟道。因为制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na+或K+)，这些正离子的作用如同加正的栅源电压并使uGS UT时相似，能在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道。 由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS0，就有漏极电流iD。 如果uGS0，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流，但指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。 若uGS0，这样既有可能使IDQRSUGQ，满足N沟道JFET对UGSQ的要求UGSQ0）；也有可能使IDQRS

12、UT0的要求。由于耗尽型MOS管的UGSQ可“正可“负”，这种偏置电路总是适用的。 对于增强型FET：2)(TGSQnDQUUKISDQGGGDDGSQRIRRRUU212UDSQ=UDDIDQRS+RD） 3.3.2 场效应管的微变等效电路 下图所示为两种场效应管放大电路的微变等效电路，由此可求电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。3.3.3 场效应管组成的三种基本放大电路1.共源极放大电路 典型的共源极放大电路如下图所示，右侧为其微变等效电路。其中gm可以在求解该电路Q点后，由右式求得。DQDSSGS(off)GS(off)GSQGS(off)DSS2)1 (2IIUUUUIgm可得上图所示放大电路的电压增益为 )/(LmgsLDgsmiouRgURRUgUUA输入电阻为 GiiiRIUR输出电阻为 DRUoRIURLS02.共漏极放大电路 共漏极放大电路又称源极输出器，典型的共漏