模拟电子技术 第3章场效应晶体管及其放大电路 考研备考期末复习

3场效应晶体管及其放大电路

3.2绝缘栅型场效应管3.1结型场效应管3.3场效应管放大电路3

场效应晶体管及其放大电路

三极管的主要特点：1.电流控制型器件。2.输入电流大，输入电阻小。3.多数与少数载流子都参与导电，又称为双极型晶体管，简称BJT（BipolarJunctionTransistor)。场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)，其主要特点：(a)

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。(c)

体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)

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。1.

结型场效应管，简称JFET(JunctionFieldEffectTransistor)场效应管按结构可分为：场效应管的类型：2.

绝缘栅型场效应管，简称IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)3.1

结型场效应管

3.1.1

结型场效应管的结构和类型

sgdP+NP+

SiO2保护层N沟道JFET结构示意图NP+P+形成SiO2保护层以N型半导体作衬底上下各引出一个电极左右各引出一个电极两边个引出一个电极两边个引出一个电极两边扩散两个高浓度的P型区漏极D（drine)源极S（source)栅极G（gate)NP+P+N型导电沟道符号称为N沟道JFET符号P沟道JFET结构示意图PN+N+P型导电沟道SGDN沟道结型场效应管P沟道结型场效应管结型场效应管分3.1.2

结型场效应管的工作原理

GDS电路图1．uDS=0时，uGS对沟道的控制作用

a．当uGS=0时NP+P+N型导电沟道SGD=0沟道无变化NP+P+N型导电沟道SGD=0P+(a)PN结加宽(b)PN结主要向N区扩展(c)导电沟道变窄(c)导电沟道电阻增大b．UGS(off)<uGS<0–+NP+P+N型导电沟道SGD=0P+P+(a)PN结合拢(b)导电沟道夹断c．0>uGS=UGS(off)UGS(off)——栅源截止电压或夹断电压–+2．当uGS

=0时，uDS对沟道的控制作用

NP+P+N型导电沟道SGD=0–+NP+P+N型导电沟道SGD=0–+a．0<uDS<|UGS(off)|(b)沿沟道有电位梯度(c)沿沟道PN结反偏电压不同(a)漏极电流iD≠0uDS增大，iD增大。uDS(d)沟道PN结呈楔形NP+P+N型导电沟道SGD=0–+P+b．uDS=|UGS(off)|(a)iD达到最大值(b)沟道点夹断(预夹断)•c．uDS>|UGS(off)|(a)

iD达到最大值几乎不随uDS的增大而变化NP+N型导电沟道SGD=0P+–+(b)沟道夹断区延长3．当uDS

≥0时，uGS(≤0)对沟道的控制作用

a.uDS和uGS将一起改变沟道的宽度NP+N型导电沟道SGDP+–++–c.当uDG=|UGS(off)|时，沟道出现予夹断。此时，uDS=|UGS(off)|+uGSb.PN结在漏极端的反偏电压最大。

uDG=

uDS-uGS（1）JFET是利用uGS

所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称为场效应管。（2）场效应管为一个电压控制型的器件。（3）在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。小结：在P沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为正值。3.1.3

结型场效应管的伏安特性

在正常情况下，iG

=0，管子无输入特性。++––1．输出特性（漏极特性）

++––特性曲线24061020可变电阻区放大区截止区24061020可变电阻区(1)可变电阻区a.

uDS较小，沟道尚未夹断b.

uDS

＜|UGS(off)|+uGSc.管子相当于受uGS控制的压控电阻各区的特点：放大区(2)

放大区放大区也称为饱和区、恒流区。b.uDS

|UGS(off)|+uGSa.

沟道予夹断c.iD几乎与uDS无关。d.

iD只受uGS的控制。24061020截止区a.

uGS＜UGS(off)

(3)

截止区b.沟道完全夹断c.

iD≈0240610202．转移特性表示场效应管的uGS对iD的控制特性。定义转移特性曲线可由输出特性曲线得到••••（1）对于不同的uDS，所对应的转移特性曲线不同。曲线特点：（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。••当管子工作于恒流区时称为零偏漏极电流3.1.4

结型场效应管的主要电参数

1．直流参数

(3)直流输入电阻RGS

(1)夹断电压UGS(off)

(2)零偏漏极电流IDSS

（也称为漏极饱和电流）2．交流参数

(1)

跨导gm

也称为互导。其定义为：

当管子工作在放大区时得管子的跨导由可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。

3.

极限参数(1)漏极最大允许耗散功率PDSM

(2)最大漏极电流IDSM

(2)

极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cds

(3)栅源击穿电压U（BR）GS(4)漏源击穿电压U（BR）DS例在图示电路中，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？（b）（c）（a）GDS解（a）因为uGS<UGS(off),管子工作在截止区。（b）因管子工作在放大区。

（c）因这时的管子工作在可变电阻区。

GDS3.2

绝缘栅型场效应管

N沟道IGFET耗尽型增强型P沟道N沟道P沟道绝缘栅型场效应管的类别

3.2.1

增强型绝缘栅场效应管

1.结构示意图gsdN+N+

SiO2保护层AlbPPN+SGDN+以P型半导体作衬底形成两个PN结SiO2保护层引出两个电极引出两个电极引出栅极Al从衬底引出电极PN+SGDN+SiO2保护层Al故又称为MOS管管子组成：a.金属（Metal)b.氧化物(Oxide)c.半导体(Semiconductor)2.工作原理

电路连接图PN+SGDN+–++–(1)

uGS

=0,uDS≠0源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，iD=0PN+SGN+iD=0D–++–PN+SGN+iD=0D–++–2．uGS

>0,uDS

=0产生垂直向下的电场PN+SGN+iD=0D–++–电场排斥空穴形成耗尽层吸引电子PN+SGN+iD=0D–++–形成导电沟道当uGS

=UGS(th)时出现反型层PN+SGN+iD=0D–++–UGS(th)—开启电压N沟道增强型MOS管，简称NMOSN沟道PN+SGN+iD>0D–++–3．当uGS

>UGS(th）

,uDS>0时.uDS(b)沿沟道有电位梯度(a)漏极电流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(b)沿沟道有电位梯度3．当uGS

>UGS(th）

,uDS>0时.(c)不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD>0uDS增大，iD增大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度3．当uGS

>UGS(th）

,uDS>0时.(c)不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD>0uDS增大，iD增大。a.uDS升高沟道变窄PN+SGN+iD>0D–++–uDS反型层变窄b.当uGD

=uGS-uDS=UGS(th）时PN+SGN+iD>0D–++–uDS沟道在漏极端夹断(b)管子预夹断(a)iD达到最大值c.当uDS进一步增大(a)iD达到最大值且恒定PN+SGN+iD>0D–++–uDSPN+SGN+D–++–uDS沟道夹断区延长(b)管子进入恒流区2．伏安特性与参数

a．输出特性可变电阻区放大区截止区输出特性曲线24061020(1)

可变电阻区a.

uDS较小，沟道尚未夹断b.

uDS

＜uGS-|UGS(th)|c.管子相当于受uGS控制的压控电阻各区的特点：可变电阻区24061020(2)

放大区(饱和区、恒流区)a.

沟道予夹断c.iD几乎与uDS无关d.

iD只受uGS的控制b.

uDS

>uGS-|UGS(th)|放大区24061020截止区a.

uGS＜UGS(th)

(3)

截止区b.无沟道完全夹断c.

iD=024061020管子工作于放大区时函数表达式b．转移特性曲线

式中，K为与管子有关的参数0转移特性曲线例图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。解

由图可知，该管的UGS（th）=2V当UGS=8V时，ID=2mA故02468123.2.2

耗尽型MOS管

1.

MOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层P绝缘层中渗入了正离子PN+SGDN+出现反型层形成导电沟道导电沟道增宽a.导电沟道变窄b.耗尽型MOS管可以在uGS为正或负下工作。PN+SGDN++–2．伏安特性与参数

24061020可变电阻区放大区截止区a．输出特性曲线

b．转移特性曲线函数表达式转移特性曲线0工作于放大区时增强型与耗尽型管子的区别：耗尽型：增强型：当时，当时，MOSFET符号增强型耗尽型GSDSGDP沟道GSDN沟道GSDJFET符号N沟道P沟道2.绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路？思考题1.试比较三极管和场效应管的异同点。3.3场效应管放大电路3.3.1场效应管的偏置及其电路的静态分析1．自给偏压场效应管常用的偏置方式自给偏压分压式偏置IDQUSQ=

IDQRSUGSQ=

-IDQRS(1)电路(2)自给偏压原理+_+_(3)静态分析a.方法一：图解法(a)列写输出回路方程(c)作图(b)列写输入回路方程+_+_abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作输出回路直流负载线作控制特性作输入回路直流负载线b.方法二：估算法输入回路方程当管子工作于放大区时两式联立可求得IDQ由此可得+_+_例在图示电路其中，VDD=18V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ，FET的IDSS=7mA、UGS(off)=－8V。试求UGSQ

、IDQ和UDSQ

。UGSQ=－2.9V得IDQ=2.9mA解由+_+_2．分压式偏置图中(1)电路(2)静态分析+_+_+__+故分压式偏置:增强型、耗尽型两种偏置电路适用的FET：自给偏压：耗尽型+_+_+__+3．信号的输入和输出常用的耦合方式阻容耦合变压器耦合直接耦合一种典型的阻容耦合共源极放大电路+_+++_+•3.3.2场效应管的微变等效电路由场效应管工作原理知：iD=f(uGS、uDS)iG=

0对iD全微分

FET为跨导式中rds为FET共源极输出电阻故

或者微变等效电路简化的微变等效电路FET的高频模型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+_+++_+微变等效电路•由图可知····故·····式中a.求电压放大倍数•由图可知b.求输入电阻Ri•根据输出电阻的定义：由图可知画出求输出电阻的等效电路•c.

求输出电阻Ro•2.共漏极放大电路_++++•_微变等效电路•由图可知··故···式中···a.求电压放大倍数•···输入电阻•b.求输入电阻Ri•

c.

求输出电阻Ro求Ro的等效电路•由图可知故电路的输出电阻•3.共栅极放大电路+_T+_+++微变等效电路+__+gsd_++_T+_+++由图可知·······a.求电压放大倍数+__+gsd_+故由于+__+gsd_+b.求输入电阻Ri故c.求输出电阻Ro画出求Ro的等效电路+__+gsd_++__+gsd_+1.比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管放大电路，在电路结构上有何相似之处？为什么前者的输入电阻较高？2.为什么增强型绝缘栅场效应管放大电路无法采用自给偏置？思考题例1

在图示电路中:

（1）如果电路输入、输出电压的波形分别如图(a)、(b)所示。试问该电路的静态工作点可能处于或靠近哪个区？（2）已知T工作于放大区及IDQ，RG1和RG2，求RS。（3）在线性放大条件下，写出电路的Au、Ri及Ro的表达式。

ouiuo3po2ppwt3p2ppwt(a)(b)练习题•RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-解：由图可知，该电路是一由N型沟道增强型