场效应管及其基本电路详解

1、2022年4月21日星期四模拟电子技术1第三章 场效应管及其基本电路31 结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理312 结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线二、输出特性曲线1. 可变电阻区2.恒流区3. 截止区4.击穿区2022年4月21日星期四模拟电子技术232 绝缘栅场效应管(IGFET)321 绝缘栅场效应管的结构322 N沟道增强型MOSFET一、导电沟道的形成及工作原理二、转移特性三、输出特性(1)截止区(2)恒流区(3)可变电阻区2022年4月21日星期四模拟电子技术3323 N沟道耗尽型 MOSFET324各种类型MOS管的符号及特性对比33 场效应管的参数和小信号

2、模型331场效应管的主要参数一、直流参数二、极限参数三、交流参数332 场效应管的低频小信号模型2022年4月21日星期四模拟电子技术434 场效应管放大器341 场效应管偏置电路一、图解法二、解析法342 场效应管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器2022年4月21日星期四模拟电子技术5第三章第三章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路（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

3、。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（ ）的分析方法。）的分析方法。omoiURRAu、2022年4月21日星期四模拟电子技术6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(Junction FET)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子的扩散运动形成电流。2022年4月21日星期四模拟电子技术731 结型场效应管结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管

4、的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图31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ID实际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2022年4月21日星期四模拟电子技术8P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向2022年4月21日星期四模拟电子技术9NDGSPP(a) UGS =0，沟道最宽图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图二、结型场效应管的工

5、作原理二、结型场效应管的工作原理),(DSGSDuufi 2022年4月21日星期四模拟电子技术10(b) UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：UGS沟道宽度 PN结耗尽层宽度2022年4月21日星期四模拟电子技术11(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff夹断电压夹断电压2022年4月21日星期四模拟电子技术12DGSUDSUGSIDPP 0沟道预夹断DGS(a)uGDUGSoff（预夹断前）UDSID 0UGSPP 图34 uDS对导电沟道的影响 uGD=UGSoff

6、（预夹断时）纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）2022年4月21日星期四模拟电子技术13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变。DGSUDSUGS沟道局部夹断IDPP几乎不变(b) uGDUGSoff（或uDSUGSoff预夹断前所对应的区域。uGS0， uDS02022年4月21日星期四模拟电子技术15图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V漏极输出特性曲线漏极输出特

7、性曲线.avi2022年4月21日星期四模拟电子技术16 当uDS很小时， uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时， uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。2022年4月21日星期四模拟电子技术172.恒流区iD的大小几乎不受uDS的控制。预夹断后所对应的区域。uGDuGS-UGSoff）uGSUGSoff(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。(2) u

8、GS固定，uDS增大，iD增大极小。2022年4月21日星期四模拟电子技术184.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大。 当UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3. 截止区2022年4月21日星期四模拟电子技术19二、转移特性曲线二、转移特性曲线2)1 (GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。恒流区中：uGS0， iD02022年4月21日星期四模拟电子技术20uGS/V012312345IDS

9、SUGSoffiD/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图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线2022年4月21日星期四模拟电子技术21uGS/ V0 1 2 312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/ V可变电阻区恒截止区 2V 1.5V 1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V从输出特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.avi2022年4月21日星期四模拟电子技术2232 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，其阻抗比JFET的

10、反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介一、简介2022年4月21日星期四模拟电子技术23MOSFETN沟道P沟道增强型 N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类二、分类2022年4月21日星期四模拟电子技术24321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构322 N沟道增强型沟道增

11、强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理UGS=0，导电沟道未形成PN结(耗尽层)NNP型衬底DSG2022年4月21日星期四模拟电子技术25B(a) UGSUGSth，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.avi2022年4月21日星期四模拟电子技术27图 uDS增大，沟道预夹断前情况BUDSP型衬底UGSN+N+2022年4月21日星期四模拟电子技术28图39 uDS增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底UGSN+N+预夹断2022年4月21日星期四模拟电子技术29图 uDS增大，沟道预夹断

12、后情况BUDSP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.avi2022年4月21日星期四模拟电子技术30二、输出特性二、输出特性(1)截止区uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）2022年4月21日星期四模拟电子技术33三、转移特性三、转移特性(1)当uGSUGSth时，iD 0，二者符合平方律关系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD02022年4月21日星期四模拟电子技术34uGS/V032112345UGS thiD/mA图37 NMOSFET的转移特性曲线2022年4月21日星

13、期四模拟电子技术35323 N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIiID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。 )(220GSoffoxnDULWCuI2022年4月21日星期四模拟电子技术36图 N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成BN导电沟道（反型层）P型衬底NUGS=0，导电沟道已形成2022年4月21日星期四模拟电子技术37图310N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1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu2022年

14、4月21日星期四模拟电子技术38iDuGSUGSoff0(a)ID0图310N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)DGSB2022年4月21日星期四模拟电子技术39324各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道JFET图311各种场效应管的符号对比2022年4月21日星期四模拟电子技术40DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型MOSFET图311各种场效应管的符号对比2022年4月21日星期四模拟电子技术41JFET：利用栅源电压（ 输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的

15、宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。MOSFET：利用栅源电压（ 输入电压）对半导体表面感生电荷量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。FET输入输入电压电压输出输出电流电流GSSDuGSiD2022年4月21日星期四模拟电子技术42iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：0DiP沟道：0Di2022年4月21日星期四模拟电子技术43图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区0

16、12345601231233456789结型P 沟耗尽型MOS P沟345601201231233456789结型N沟耗尽型 增强型MOS N沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道：0DiP沟道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu2022年4月21日星期四模拟电子技术44放大饱和/可变电阻 截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCu)(GSthGSoffGSuuuBE(on)BEUu0BCuBE(on)BEUu0BCu)(GSthGSoffGSuuu)(

17、GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGSuuu)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuuBJT与与FET工作状态的对比工作状态的对比2022年4月21日星期四模拟电子技术45场效应管工作状态的判断方法场效应管工作状态的判断方法1.先判断是否处于先判断是否处于截止状态截止状态2.再判断是否处于再判断是否处于放大状态放大状态)(NGSthGSoffGSDSuuuu沟道：)(:GSthGSoffGSuuuN沟道)(:GSthGSoffGS

18、uuuP沟道)(PGSthGSoffGSDSuuuu沟道：)(GSthGSoffGDuuu)(GSthGSoffGDuuu或或或或指导思想：假设处于某一状态，然后用计算结果验证假设是否成立。2022年4月21日星期四模拟电子技术4633 场效应管的参数和小信号模型场效应管的参数和小信号模型 331 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1. 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 (1)饱和漏极电流IDSS(ID0)： (2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。对应uGS=0时的漏极电流。 2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSF

19、ET来说，主要参数有开启电压UGSth。2022年4月21日星期四模拟电子技术473.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS 。 二、极限参数二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS2022年4月21日星期四模拟电子技术48三、交流参数三、交流参数1跨导gm)/(VmdudigCuGSDmDS对JFET和耗尽型MOS管2)1 (GSoffGSDSSDUuIi那么DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIU

20、uUIdudig2)1 (DQQGSDmIdudig2022年4月21日星期四模拟电子技术4922)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而对增强型MOSFET那么，对应工作点Q的gm为DQDQoxnmkIILWCug22DQQGSDmIdudig2022年4月21日星期四模拟电子技术502.输出电阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流区的rds可以用下式计算UA为厄尔利电压。DQAdsIUr 2022年4月21日星期四模拟电子技术51),(DSGSDuufi 若输入为正弦量，上式可改写为dsdsgsmdUrUgI1通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则33

21、2 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 DSdsGSmDSDSDGSGSDDdurdugduuiduuidi12022年4月21日星期四模拟电子技术52rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313 场效应管低频小信号简化模型dsdsgsmdUrUgI1gsmdUgI 2022年4月21日星期四模拟电子技术5334 场效应管放大器场效应管放大器341 场效应管偏置电路场效应管偏置电路偏置方式自偏压方式混合偏置方式 确定直流工作点方法图解法解析法 适宜 JFET、DMOSFET适宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET2022年4月21日

22、星期四模拟电子技术54 图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)2022年4月21日星期四模拟电子技术55一、图解法一、图解法SDGSRiu栅源回路直流负载线方程1.自偏压方式RDUDDRSuiRGV图315 (a)图解法求自偏压方式电路的直流工作点SR1Q2022年4月21日星期四模拟电子技术56图315 (b)图解法求混合偏置方式电路直流工作点SDDDGGGGSRiURRRu2122.混合偏置方式栅源回路直流负载线方程RDUDDRSuiRG2RG1SR120

23、22年4月21日星期四模拟电子技术57二、解析法二、解析法2)1 (GSoffGSDSSDUUIi已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。RDUDDRSuiRGVSDGSRiu2022年4月21日星期四模拟电子技术58 342场效应管放大器分析场效应管放大器分析一、共源放大器一、共源放大器UiC2C1RDRG1RSUDD20VRG2150k50k2k10kRL1M(a)Uo.RG31M.C3图316 (a)共源放大器电路2022年4月21日星期四模拟电子技术59图316 (b)共源放大器电路低频小信号等效电路MRRRRGGGi0375. 1/213kRrRRDdsDo10/)

24、/(LDdsgsmoRRrUgU)(LDmiouRRgUUA2022年4月21日星期四模拟电子技术60uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm5mA/V图318 (a)带电流负反馈的放大电路例例 试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。2022年4月21日星期四模拟电子技术61图3-18 (b) (c)带电流负反馈放大电路的等效电路及简化等效电路)/(LDdoRRIU)(1SdimgsmdRIUgUgIiSmmdURggI113 . 8)/(11LmLDSmmiouRgRRRggUUA2022年4月21日星期四模拟电子技术62C

25、2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V图319 (a)共漏电路二、共漏放大器二、共漏放大器2022年4月21日星期四模拟电子技术63图319 (b)共漏电路等效电路 UoRLRSSDIdgmUgsgmUi-Id(RSRL)/2022年4月21日星期四模拟电子技术641. 放大倍数Au )/(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI)/(LSdoRRIU iLmmdURggI1LmLmiLSdiouRgRgURRIUUA1)/(76. 0106 . 11021106 . 11023333UoRLRSSDIdgmUgs2022年4月21日

26、星期四模拟电子技术652.输入电阻 MRRRRRGGGGi0375. 1/213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V2022年4月21日星期四模拟电子技术66图图320计算共漏电路输出电阻计算共漏电路输出电阻Ro的电路的电路 3. 输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kUoRG31MRL10kUigm2mA/VIo2022年4月21日星期四模拟电子技术67图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路mSoogIUR1omomgsmSUgUgUgI)(4001021/1021/33mSogRR2022年4月21日星期四模拟电子技术682022年4月21日星期四模拟电子技术69作作 业业3-13-33-43-53-73-82022年4月21日星期四模拟电子技术70uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/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图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线2022年4月21日星期四模拟电子技术71图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1