场效应管4讲解课件

1、第3章 场效应晶体管和基本放大电路作业：习题：3-1 、3-3 、3-4 、3-7 、3-11第3章 场效应晶体管和基本放大电路3.1 场效应晶体管3.2 场效应管放大电路本章的重点与难点重点:理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数； 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。难点:通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。第3章 场效应晶体管和基本放大电路 分类：结型(JFET) 绝缘栅型(IGFET)场效应管输入回路内阻很高(1071012)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电

2、，又称单极型晶体管。场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。3.1 场效应晶体管3.1.1 结型场效应管 N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s，P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟道。 N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D NNPP结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。1. 结型场效应管的结构结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号2. 工作原理电压控制作用d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图(以N沟道为例加以说明) 在

3、N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。正常工作时在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压) 漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了ugs对沟道电流iD的控制。d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图（1）、间和、间短路耗尽区很窄,导电沟道宽| UGS |增加到某一数值,耗尽区相接,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断 此时GS的值为夹断电压UGS（off） | UGS |增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电

4、阻增大。（2）、间加负电压和、间短路由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。 UDS的作用产生漏极电流ID ，使沟道中各点和栅极间的电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。 导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。dsgUDSiD（3）、间短路，、间加正向电压随着UDS 的增加， ID近似线性增加,ds间呈电阻特性。 UGD = UGS - UDS = - UDSUDSdsgAID随着UDS 增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。此时，UGD= UGS（off）UDS 再增加，夹断区长度增加（AA）。预夹断时，导电沟道内仍有电流ID ，且UDS增大时ID几乎不变，此时的ID

5、称为“饱和漏极电流IDSS”A当UDS 增加到 UGS（off），漏极附近的耗尽区相接，称为预夹断。、间的负电压使导电沟道变窄（等宽），、间的正电压使沟道不等宽。UGS 增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，同样UDS的产生的ID减小。dsgUDSUGSID（4）、间加负向电压，、间加正向电压（综合（2）（3）两种情况）称场效应管为电压控制元件。由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。ID几乎仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。 AdsgUDSUGSID1）UGD UGS（off） 时（未出现夹断前）,对于不同的UGS ，漏源之间等效成不同阻值的电阻， ID随UDS 的增加线性

6、增加。（对应可变电阻区）2）UGD= UGS（off） 时，漏源之间预夹断。3）UGD UGS（off） 时， ID几乎只决定于UGS，而与UDS 无关，可以把ID近似看成UGS控制的电流源。 （对应恒流区，即放大区）通过以上分析有：3.结型场效应管的特性ID = f (UDS )UGS = 常数（1）输出特性曲线因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。输出特性和转移特性场效应管工作区域：可变电阻区（非饱和区）恒流区（电流饱和区、放大区）夹断区（截止区）击穿区（电流突然增大）预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD= UGS（off）的点而成。1)可变电阻区： 预夹断轨 迹左边区域。 条件： |

7、UGD| |UGS（off）| 特点： ID只受UGS 控制3)夹断区（截止区）： 导电沟道全部夹断。 条件：UGS UGS（off） 特点： ID 04)击穿区：UDS增加到一定程度，电流急剧增大。IDSSUGS=0时产生预夹断时的漏极电流（2）转移特性ID = f (UGS )UDS = 常数反映UGS对ID的控制作用432104812UGS =0V3V4V输出特性转移特性123 1V20123 UGS / VUGS(off) UDS / VID /mAID /mA转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系44UDS=8V恒流区ID近似表达式为：管子工作在可变电阻区时，不同的UDS ，转移

8、特性曲线有很大差别。30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12N沟道结型场效应管，栅源之间加反向电压。P沟道结型场效应管，栅源之间加正向电压。1.4.2 绝缘栅型场效应管（MOS管)栅-源电压为零时，无导电沟道的管子称为增强型。栅-源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型。MOS管分类： N沟道（ N MOS） 增强型 耗尽型 P沟道（ P MOS） 增强型 耗尽型 绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为MOS管。 1、N沟道增强型MOS管 （1）结构 通常衬底和源极连接在一起使用。 栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。P型

9、硅衬底源极S栅极G漏极D 衬底引线BN+N+SiO2DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号栅-源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。SiO2P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。（2） 工作原理1) UGS =0 由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2的空穴，将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。PN+N+SGD反型层2）UGS 0 ，

10、UDS =0UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样的产生的电流越大 此时的栅-源电压称为开启电压UGS(th) UDS作用产生漏极电流ID 。沟道各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。 3）UGS UGS(th） ，UDS 0P衬底BN+N+SGDUGD=UGS-UDS UGS(th），UDS 0P衬底BN+N+SGD4321051015UGS =5V6V4V3V2ViD /mAUDS =10VN沟道增强型 MOS 管的特性曲线 0123恒流区击穿区可变电阻区246uGS / V（3） 特性曲线UGs(th)输出特性转移特性 uDS / ViD /mA夹断

11、区ID和UGS的近似关系：ID0是UGS = 2UGS(th)时的ID。UDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mAID0制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS =0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS ，就会产生ID。结构示意图P源极S漏极D 栅极GBN+N+正离子反型层SiO22、N沟道耗尽型MOS管只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off) 。dN沟道符号BsgP沟道符号dBsgMOS管符号DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽型MOS管符号增强型MOS管符号43210481

12、2UGS =1V2V3V输出特性转移特性N沟道耗尽型MOS管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V2. 特性曲线IDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mA 场效应管 的符号及 特性 (p76）结型N沟道结型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-） 测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它 们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态 （截止区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流

13、区截止区可变电阻区3.1.3 场效应管的主要参数1、直流参数 （1）开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值 它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负） （2）夹断电压 UGS(off) UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。 是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负， PMOS管为正）。 （4）直流输入电阻RGS（DC） 栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高, 一般为107-1010左右。 （3）饱和漏极电流IDSS 对于耗尽型MOS管,在UGS =0情况下产生预夹断时的漏极电流。2、交流参数gm=iD

14、 / uGS UDS =常数 gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 （1）低频跨导 gm管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即（2）交流输出电阻rdsrds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数 rds在恒流区很大。3.极限参数 (1)最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值。 (2)最大漏源电压U DS(BR)管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏-源击穿电压。(管子的极限参数，使用时不可超过。) (3)最大栅源电压U GS(BR)对于结型场效应管，使栅极与沟

15、道间反向击穿的UGS称为栅-源击穿电压。对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅-源击穿电压。 (4)最大耗散功率P DMPDM决定于管子允许的温升。(管子的极限参数，使用时不可超过。)1.场效应管利用栅源电压控制漏极电流，是电压控制元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大； 晶体管利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗较小。场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，能实现对信号的控制。3.1.4 场效应管与双极型晶体管的 比 较2. 晶体管放大电路的放大倍数通常比场效应管的大。3. 场效应管只有多子导电，而晶体

16、管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4. 场效应管比晶体管噪声系数小。5. 场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。6. 场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8. 场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。 例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。N沟道增强型MOS管

17、。2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4V开启电压UGS(th)=4V 例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +-2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4V+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +-2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4V（3）当UGS=10V时，若认为 T工作在恒流区，则iD为2.2mA, uo=4V,而uGS=10V时的预夹断电压为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI

18、+- uDS / V2105101510V8V6ViD /mA4V3.2 场效应管放大电路 场效应管放大电路与晶体管电路的比较1.相同之处2.不同之处能实现对信号的控制；三种组态相对应；分析方法相同。为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；而对BJT则加适当的偏流。场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立合适的静态工作点.场效应管放大电路.场效应管放大电路的直流偏置及静态分析1、自给偏压电路静态工作点分析 栅极电流为0此电路只适用于耗尽型器件、分压式偏置电路IDQ、 UGSQ静态工作点分析栅极电流为0增强型MOS管的电流方程. 用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数场效应管的交流低频小信号模型求全微分gm是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。rds是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十几百千欧之间。通常 rds可视为开路。将输出回路只等效为一个受控电流源。低频小信号模型sdg+_.UgsgmUgsMOS管简化交流等效模型耗尽型:(结型)增强型：UGS(th)iD=IDO(uGS1)2rdsQ点不仅影响电路是否失真,还影响动态参数。应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路（）共源放大电路微变等效电路 电压增益 输入电阻 输出电阻例图示电路，CS和RL开路,计算、和例图示电路，CS和RL开路,计算、和解：共源电路的