电子技术基础--第三章--场效应管及其放大电路

1、2022-3-19 场效应管出现的历史背景场效应管出现的历史背景 场效应管的用途场效应管的用途 场效应管的学习方法场效应管的学习方法 场效应管的分类第一节 场效应管场效应管2022-3-19场效应管出现的历史背景场效应管出现的历史背景 1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在科学家继续研究

2、新型的三极管，在1960年发明年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三场效应管的工作原理与双极型三极管不同。极管不同。2022-3-19场效应管的用途场效应管的用途 场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：v一是当作电压控制器件用来组成放大电路；一是当作电压控制器件用来组成放大电路；v二是在数字电路中用做开关元件。二是在数字电路中用做开关元件。v三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途

3、：双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。二是在数字电路中用做开关元件。2022-3-19场效应管的学习方法场效应管的学习方法 学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。开来，应注意比较它们的相同点和不同点。 场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。三极管的基极、集电极、发射极对应。 场效应管与双极型三极管的工作原理不同场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但但作

4、用基本相同。作用基本相同。 场效应管还可以当作非线性电阻来使用场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双而双极型三极管不能。极型三极管不能。2022-3-19N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道场效应管场效应管FET结型结型JFETIGFET( MOSFET )绝缘栅型绝缘栅型场效应管的分类一、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、结型场效应管的特性曲线三、结型场效应管的特性曲线及参数及参数第二节 结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)的的结构和工作原理结构和工作原理2022-3-

5、19一、结型一、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构P+P+NGSD导电沟道导电沟道N+N+PGSDN沟道沟道JFETJFETP沟道沟道JFETJFET栅极栅极漏极漏极源极源极2022-3-19二、结型二、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理参考方向做如下约定参考方向做如下约定:2022-3-19（1）电压源）电压源UGS和电压源和电压源UDS都不起作用，电压值均为都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源）只有电压源UGS起作用，电压源起作用，电压源UDS的电压值为的电压值为0；（3）只有电压源）只有电压源UDS起作用，电压源起作用，电压源UGS的

6、电压值为的电压值为0；（4）电压源）电压源UGS和电压源和电压源UDS同时起作用。同时起作用。在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。同时画出对应的输出特性曲线。特别注意特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式不同的约定方法得到不同样式的特性曲线的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。考方向的。按照如下的思路来讲解：按照如下的思路来讲解：2022-3-1

7、9（1） UDS =0伏、伏、UGS = 0伏时伏时JFET的工作状态的工作状态导电沟道从漏极到源极平行等宽。导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽最宽这时导电沟道的电阻记为这时导电沟道的电阻记为R1。2022-3-19（2） 在在UDS =0伏的前提下：伏的前提下： UGS 从从0伏逐渐增加过程中，伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态的工作状态（2.1）UDS =0伏：伏：UGS逐渐增加逐渐增加UGS = -1伏伏 此时导电沟道从漏极到此时导电沟道从漏极到源极平行等宽源极平行等宽这时的导电沟道的电阻这时的导电沟道的电阻用用R2表示。表示。R2要大于要大于R1UGS给给PN结施加的是结施加的是一个

8、反偏电压一个反偏电压2022-3-19（2.2) UDS =0伏伏: :UGS逐渐增加至逐渐增加至UGS = Up （夹断电（夹断电压）压）当当UGS逐渐增加至逐渐增加至UGS = Up 时时（不妨取（不妨取Up= -3伏），由伏），由UGS产生的产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。止状态。Up是结型场效应管的一个参数，称是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。为夹断电压。2022-3-19 （2.3） UDS =0伏伏:UGS继续增加，结型场效应管进继续增加，结型场效应管进入击穿状态入击穿状态

9、UGS 增加使增加使PN结上的反偏电压超过结上的反偏电压超过U（BR）DS时，时，结型场效应管将进入击穿状态。结型场效应管将进入击穿状态。2022-3-19（3 3） 在在UGS =0伏的前提下，分别讨论伏的前提下，分别讨论UDS 由小变大的由小变大的过程中过程中JFET的几种工作状态的几种工作状态（3.1 ） UGS =0伏伏: :UDS的值比较小时的值比较小时 UDS给给PN结施加的是一个结施加的是一个反偏电压反偏电压2022-3-19导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当当UDS 比较小时比较小时 ，导电沟道不会被夹断。，导电沟道不会被夹断

10、。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。为是一个线性电阻。2022-3-19（3.2) UGS =0伏、伏、UDS的值增加至的值增加至Up时时 PN结在靠近漏极的一点最先相结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被接，导电沟道被预夹断预夹断。对应输。对应输出特性曲线中的出特性曲线中的A点。此时沟道点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作称为饱和漏极电流，记作IDSS 。2022-3-19（3.3) UGS =0

11、伏、伏、UDS继续增加继续增加 2022-3-19当电压源当电压源UDS增加时，可以近似认为漏极电流不随增加时，可以近似认为漏极电流不随UDS的增加而增加。此时的电流仍然是的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。2022-3-19（3.4) UGS =0伏、伏、UDS继续增加至继续增加至U（BR）DS PN结上的反偏电压超过结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图将进

12、入击穿状态，如图中的中的B点所示。此时的点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，值为最大漏源电压，记为记为U（BR）DS 。2022-3-19(4) 在在UGS = -1伏（即伏（即UGSUp的某个值）的前提的某个值）的前提下下 ， 当当UDS 由小变大时，由小变大时，JFET的状态的状态(4.1) UGS = -1伏、伏、UDS的值比较小时的值比较小时导电沟道不再是上下平行等宽，导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为电沟道的电阻均为R2，导电沟，导电沟道呈现线性电阻的性质。道呈现线性电阻的性质。2022-3-19(4.2)UGS = -

13、1伏、伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断的值增加至某值开始出现预夹断 如图所示，当如图所示，当UDS的值增加至某值的值增加至某值（此值比（此值比Up小）时，两边的小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断导电沟道被预夹断,在此点有在此点有UGS+UDS =Up。JFET的状的状态对应输出特性曲线中的态对应输出特性曲线中的M点。点。M点对应的点对应的UDS值比值比A点对应的点对应的UD S值小，因为值小，因为UD S=Up-UGSUT时时, 沟道加厚沟道加厚开始时无导电沟道，当在开始时无导电沟道，当在uGS UT时才形成沟道时才形成沟道, ,这

14、种类型的管子称为增强型这种类型的管子称为增强型MOSMOS管管2022-3-19 （3）只有电压源UDD起作用，电压源UGG的电压值为大于开启电压的某值（3.1）电压源UDD的值较小导电沟道在靠近源导电沟道在靠近源极的一边较宽，导极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟楔型，此时导电沟道的电阻近似认为道的电阻近似认为与平行等宽时的一与平行等宽时的一样。对应特性曲线样。对应特性曲线的可变电阻区的可变电阻区电压源电压源UDD的作用使导电沟道有电流流通，电流的流的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降通使导电沟道从漏

15、极到源极有电位降2022-3-19 （3）只有电压源UDD起作用，电压源UGG的电压值为0（3.2）电压源UDD的值增加使 uGD=uGSuDS =UT导电沟道在靠近漏极的一点刚导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流此时的漏极电流I ID D 基本饱和。基本饱和。2022-3-19（3.3）电压源UDD的值增加使 uGD=uGSuDS UT导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区， U UDDDD增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，增加的部分基本降落在随之加长的夹断

16、沟道上， I ID D基本趋基本趋于不变。于不变。2022-3-19三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管iD=f(uGS) uDS=C 转移特性曲线转移特性曲线iD=f(uDS) uGS=C 输出特性曲线输出特性曲线DD020DD2)() 1(iUuIUuUuIiTGSTGSTGS时的是DODTDODTDOTGSTDOTTGSDOGSDm2212112IiUIiUIUuUIUUuIdudig恒流区恒流区( (饱和区饱和区) )：u uGSGS一定时，一定时，iD D基本不随基本不随u uDSDS变化而变化。变化而变化。当当u

17、 uGSGS变化时，变化时，R RONON将将随之变化，因此称随之变化，因此称之为之为可变电阻区可变电阻区2022-3-19三、P沟道增强型MOSFET2022-3-192022-3-19放大状态下的导电沟道状态2TGSDOD) 1(UuIiI IDODO是当是当u uGSGS =2 =2U UT T时的时的| |i iD D| |。DODTDODTDOTGSTDOTTGSDOGSDm2212112IiUIiUIUuUIUUuIdudig2022-3-19四、四、 耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管 1 1、N N沟道沟道耗尽耗尽型型MOSMOS场效应管结构场效应管结构 2 2、N N沟道沟道

18、耗尽耗尽型型MOSMOS的工作原理的工作原理 3 3、N N沟道沟道耗尽耗尽型型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线2022-3-19N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构和符号场效应管结构和符号2022-3-19P沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构和符号场效应管结构和符号2022-3-19 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管的可变电阻区下的导电沟场效应管的可变电阻区下的导电沟道道2022-3-19 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管的放大区下的导电沟道场效应管的放大区下的导电沟道2022-3-19三、三、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场

19、效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线2PGSDSSD)1 ( UIiu)1(12PPGSDSSGSDmUUuIdudig2022-3-19P P沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管的放大区下的导电沟道场效应管的放大区下的导电沟道2022-3-19P P沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线2PGSDSSD)1 (UuIi)1(12PPGSDSSGSDmUUuIdudig2022-3-192022-3-192022-3-192022-3-19场效应管的主要参数场效应管的主要参数2. 夹断电压夹断电压UP：是耗尽型：是耗尽型F

20、ET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电流漏极电流为零。为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1. 开启电压开启电压UT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅与流过栅极电流极电流IGS之比。结型之比。结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压U(BR)DS: 使使ID开始剧增时的开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR) GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压2022-3-197. 低频跨导低频跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CGSDmDSdduuig8. 输出电阻输出电阻rdsC