武汉理工大学模电FETPPT学习教案

1、会计学1武汉理工大学模电武汉理工大学模电FET三极管三极管三极管放大电路三极管放大电路分析方分析方法法图解法估算法微变等效电路法oiRRAQ、场效应管场效应管场效应管放大电路场效应管放大电路小小 结结作业作业引言场效应管的分类JFETMOSFETFET放大电路MESFET各类FET放大电路性能比较第1页/共51页三极管(BJT)电流控制器件（基极电流）输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子均参与导电）噪声高场效应管(Field Effect Transistor)电压控制器件（栅、源极间电压）输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小缺点是速度慢（有寄生电容效应）场效应管（

2、和三极管相比）：优点多、应用广泛场效应管（和三极管相比）：优点多、应用广泛第2页/共51页电压控制器件 电流控制器件 单极型器件 双极型器件 感生沟道 导电沟道增强型 耗尽型 夹断电压 开启电压 预夹断 全夹断 饱和漏极电流 栅电流 输出特性 转移特性 自偏压电路 分压式自偏压电路 反相电压放大器 电压跟随器 电流跟随器第3页/共51页结型场效应管JFET（按导电沟道类型）P沟道N沟道绝缘栅型场效应管MOSFET耗尽型(按导电沟道形成机理)增强型P沟道N沟道P沟道N沟道按基本结构按基本结构第4页/共51页一、结构和工作原理一、结构和工作原理二、特性曲线和参数二、特性曲线和参数1.1. 结构与符

3、号结构与符号2.2. 工作原理工作原理 外部工作条件外部工作条件 vGS对对iD的控制作用的控制作用 vDS对对iD的影响的影响1.1. 输出特性和转移特性输出特性和转移特性2.2. 主要参数主要参数例题例题第5页/共51页N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管dP+P+Ngs耗尽层耗尽层三个区域：一个三个区域：一个N N区，两个区，两个P P+ +区区三个电极：源极三个电极：源极s s，漏极，漏极d d，栅极，栅极g g一个导电沟道：一个导电沟道：N N型型电路电路符号符号dgs箭头方向：栅结正偏时栅极电流的方向箭头方向：栅结正偏时栅极电流的方向（P沟道？）第6页/共51页P P沟道结型场效

4、应管沟道结型场效应管dN+N+Pgs耗尽层耗尽层三个区域：一个三个区域：一个P P区，两个区，两个N N+ +区区三个电极：源极三个电极：源极s s，漏极，漏极d d，栅极，栅极g g一个导电沟道：一个导电沟道：P P型型电路符号电路符号箭头方向：箭头方向：dgs第7页/共51页dP+P+Ngs1.1. 外部工作条件外部工作条件 vGS为负值为负值 vDS为正值为正值2. vGS对对iD的控制作用的控制作用为便于讨论，先假设漏源极间所加的电压vDS=0(a) 当vGS=0时，沟道较宽，其 电阻较小。(b) 当vGS0时，PN结反偏，沟道变窄，其电阻增大。(c) 当vGS进一步减小到一定程度（

5、vGS VP），沟道消失，失去导电能力。全夹断第8页/共51页3. vDS对对iD的影响的影响（假设（假设vGS值固定，值固定，且且VPvGS0）dP+P+NgsVGGVDD(a)当漏源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。(b) 在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。(c) 随着vDS的进一步增加，出现楔形沟道(d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，预夹断(e) 继续增加，饱和，继而发生击穿第9页/共51页V0 . 2 1. 输出特性输出特性GSvDSvGiDi+场效应管的输入电流iG 0，输入特性无意义，故用输出特性

6、和转移特性描述伏安特性（本质为同一个物理过程）。常常数数 GS)DSDvf(vi024mA/Di61020PGSVvV0GSvV5 . 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 可变电阻区放大（饱和）区截止区三个工作区域三个工作区域第10页/共51页24061020PGSVvmA/DiV0GSvV5 . 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 V0 . 2 可变电阻区 可变电阻区可变电阻区 恒流区恒流区 夹断区夹断区 击穿区击穿区放大区截止区第11页/共51页2. 转移特性转移特性常常数数 DSGSDv)f(vi0GS3vGS1vPvDiGSv0GS2v10V

7、DS/vDiV0GSvGS1vGS2vGS3vGS4vDSSI2PGSDSSD)1(VvIi PDSGSV0DDSSVvviI （transfer characteristic）第12页/共51页在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？V5P VV4,V3DSGS vv（b）V1,V3DSGS vv（c）4V ,8VDSGS vv（a）例题GDSGRDDVDiDSvGSvDSvGiGGV DRSi解（a）因为vGS0时，SiO2绝缘层上产生电场。方向垂直于半导体表面，由栅极指向衬底。该电场排斥空穴、吸引电子。在 vGS较小的情况下形成耗尽层。电场排斥空穴形成耗

8、尽层MOSFET工作原理3第22页/共51页PN+SGDN+GSvDSv+(1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0vGS继续增大将P衬底的电子吸引到表面，形成一个N型薄层，反型层，形成导电沟道出现反型层且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道。开启电压，VTMOSFET工作原理4第23页/共51页(1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。PN+SGDN+GSvDSv+导电沟道增厚沟道电阻减小MOSFET工作原理5第24页/共51页(2) vDS对iD的影响当vGSVT且为一确定值时

9、，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。PN+SGDN+GSvDSv+当在漏源之间施加正向电压vDS0，且vDS较小时，将产生漏极电流iD。iDiDMOSFET工作原理6第25页/共51页(2) vDS对iD的影响，PN+SGDN+GSvDSv+漏极电流iD沿沟道形成的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大、沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGSvDS，因而沟道最薄。iDiDvGSVT为定值沿沟道有电位梯度vDSMOSFET工作原理7第26页/共51页(2) vDS对iD的影响随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄。当vDS增加到

10、使VGD=vGSvDS=VT时，沟道在漏极一端出现预夹断。 vGSVT为定值PN+SGDN+GSvDSv+iDiDMOSFET工作原理8第27页/共51页(2) vDS对iD的影响再继续增大vDS，vGSvDSVT为定值PN+SGDN+GSvDSv+iDiD管子进入饱和区iD达到最大值由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区（实际的线性工作区），iD几乎仅由vGS决定 。 MOSFET工作原理9第28页/共51页MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述输出特性 常常数数 GSDSDv)|f(vi转移特性 常常数数 DSGSDv)|f(vi输出特

11、性描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流iD与漏源电压vDS之间的关系。输出特性曲线也分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。GSvDSvGiDi+第29页/共51页1. 输出特性：TGSVv TGSVv 常常数数 GSDSDv)|f(viVDS/v10202406mA/DiTGSDSVvv 可变电阻区放大（饱和）区截止区击穿区MOSFET特性曲线2第30页/共51页(1) 可变电阻区a. vDS较小，沟道尚未夹断b. vDS vGS- |VT| c.管子相当于受vGS控制的压控电阻1. 输出特性TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 可变电阻

12、区MOSFET特性曲线第31页/共51页(2) 放大区(饱和区、恒流区)a. 沟道预夹断c. iD几乎与vDS无关d. iD只受vGS的控制b. vDS vGS- |VT| TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 放大区1. 输出特性MOSFET特性曲线第32页/共51页a. vGSVT(3) 截止区b.沟道完全夹断c. iD=0TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 1. 输出特性截止区MOSFET特性曲线第33页/共51页0VGS/vVV2T VVv2TGS 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 转

13、移特性曲线Vv3GS Vv4GS V3V4mA/DiVv10DS 输出特性曲线MOSFET特性曲线第34页/共51页sgdN+N+ SiO2 Alb耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层PN沟道耗尽型MOFETS符号 P沟道耗尽型MOSFET符号 gsdgsd第35页/共51页1JFET栅源电压vGS的极性不能接反，JFET可开路保存。3. MOSFET的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。2从MOSFET的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此可以互换。当M

14、OSFET的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。第36页/共51页增强型与耗尽型管子的区别：耗尽型：增强型：0D iTGSVv 当 时，PGSVv 当 时，0D i绝缘栅型场效应管（MOSFET）小结：第37页/共51页一、常见组态：共源、共漏、共栅（用的很少）一、常见组态：共源、共漏、共栅（用的很少）二、二、直流偏置直流偏置三、分析方法三、分析方法四、分析举例四、分析举例1. 估算法估算法2. 图解法（略）图解法（略）3. 小信号模型分析法小信号模型分析

15、法场效应管放大电路：场效应管放大电路：电压控制型器件，放大作用以跨导电压控制型器件，放大作用以跨导gm来体现来体现三极管放大电路：三极管放大电路：电流控制型器件，放大作用以电流放大电流控制型器件，放大作用以电流放大倍数来体现倍数来体现第38页/共51页自偏压电路直流偏置电路固定偏压电路分压器式自偏压电路一、自偏压电路一、自偏压电路二、分压器式自偏压电路二、分压器式自偏压电路+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2Rg3RSDQSDQSQGQGSQ 0 RIRIVVV 自偏压原

16、理：自偏压原理：第39页/共51页场效应管的小信号模型小信号前提下，可以用直线来逼近FET的特性曲线。用直线来代替，即将非线性元件线性化、非线性电路线性化。 GSvDSvGiDi+gsdgsmvgdsrGSv+DSv+小信号模型gsdgsmvgGSv+DSv+第40页/共51页场效应管放大电路的动态分析例一共源极放大电路共源极放大电路小信号等效电路小信号等效电路+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+LRii_iv+gRgsdGSv+gsmvgdR_ov+LR第41页/共51页小信号模型+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_

17、iv+sCg2Rg3RLR场效应管放大电路的动态分析例二ii_iv+g3RgsdGSv+gsmvgdR_ov+LRg1Rg2R第42页/共51页ii_iv+g3RgsdGSv+gsmvgdR_ov+LRg1Rg2Ra. 求电压放大倍数Ldgsmogsi/ RRVgVVV Ldmio/ RRgVVAv 场效应管放大电路的动态分析b. 求输入电阻：c. 求输出电阻：ii_iv+g3RgsdGSv+gsmvgdRg1Rg2RsRV oRIg2g1g3i/ RRRR doRR 第43页/共51页2) 共漏极放大电路小信号模型g1RSRDDV T1C_ov+2C_iv+g2Rg3RLRii_iv+g3RgsdGSv+gsmvgsR_ov+LRg1Rg2R场效应管放大电路的动态分析第44页