课件：模电第四章

主要内容：5.1金属-氧化物-半导体场效应管5.2结型场效应管5.3场效应管放大电路难点：场效应管的结构、工作原理、特性曲线及参数重点：FET放大电路工作原理及分析方法1

第五章场效应管放大电路2贴片和小型封装场效应管TO220及类似封装场效应管TO247及类似封装场效应管部分场效应管外形图片3部分场效应管外形图片金属封装及军品级场效应管特种封装场效应管（绝缘底板模块封装）4

第五章场效应管放大电路场效应管(FET,FieldEffectTransistor)（单极型晶体管）分类：结构结型场效应管JunctiontypeFET绝缘栅型场效应管InsulatedGateFETN沟道JFETP沟道JFET金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)其它N沟道P沟道增强型增强型耗尽型耗尽型5dsgd漏极g栅极PPN耗尽层s源极N沟道结型场效应管结构和符号§5.1结型场效应管一.结型场效应管的结构及工作原理体内场效应器件6d漏极g栅极NNP耗尽层s源极P沟道结型场效应管结构和符号dsg①栅源电压vGS对导电沟道及iD的控制作用7当vGS＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小；vGS更负，沟道更窄，iD更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，

iD≈0。这时所对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP

当栅源间加电压vGS＞VP时，在漏源间加电压vDS，在N沟道形成一个电位梯度，栅极g与沟道间的电位差是不等的，靠近漏端耗尽层所受的反偏电压比源端耗尽层所受的反偏电压vGS大，使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，使沟道呈楔形。随vDS增大，这种不均匀性更明显。VDS较小时，iD随VDS增大几乎线性增大当vDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区场强也增高，仍能将电子拉过夹断区，形成漏极电流。电场增加的部分落在夹断区，而从源极到夹断处的沟道上，沟道电场基本不随vDS改变，所以iD基本不随vDS增加而上升，漏极电流iD趋于饱和。②漏源电压vDS对iD的影响8当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

时，在紧靠漏极处出现预夹断点预夹断点夹断区iD9输出特性是指栅源电压vGS一定,漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系,即1)输出特性预夹断点二．特性曲线场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特性曲线。01234524681012141618iD

/mAvDS

/V夹断区可变电阻区－4V－3V－2V－1V击穿区恒流区(放大区)vGS

＝0V10i543210－1－2－3－4vDS=12VvGS/VD/mAIDSSVP在VP≤vGS≤0,且vDS≥vGS-VP

,即在输出特性曲线的恒流区内，漏极电流iD与栅极电压vGS的关系为：2)转移特性在vDS一定时,漏极电流iD与栅源电压vGS之间的关系称为转移特性。即JFET特点小结：正常工作时，JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的。因此，其iG≈0，输入电阻很高(107Ω以上)。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS的控制。预夹断之前，iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET极性相反。1112金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）N沟道P沟道增强型增强型耗尽型耗尽型§5.2金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）（Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor）表面场效应器件vGS=0时，不存在导电沟道vGS=0时，存在导电沟道JFET属于增强型还是耗尽型？？？131.结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox

：绝缘层厚度通常W>L

一.增强型MOS管的结构及工作原理14

增强型MOS管结构及符号图

(a)N沟道结构图;(b)N沟道符号;(c)P沟道符号sgdN＋N＋P型硅衬底衬底引线gdsgds(a)(b)(c)SiO2gdN＋N＋P型硅衬底sUGGUDDiD

N沟道增强型MOS管工作原理vGS=0时，源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，漏源之间不存在导电沟道。vGS>0时，栅极铝层和P型衬底以SiO2为介质形成平板电容。电场方向如图。该电场吸引P型衬底少子（电子）在栅极附近的P型层表面形成一个N型薄层，称之为反型层。也称为感生沟道。当vGS＞VT(开启电压)，外加较小的vDS时，将产生漏极电流iD，且iD随vDS上升迅速增大。N+N+

感生沟道

gdN＋N＋P型硅衬底sUGGUDDiD

N沟道增强型MOS管工作原理N+N+当iD从DS流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀，沟道呈楔形当vDS大到一定值时，形成一个夹断区，此时iD趋于饱和。若vDS进一步增大，直至即vGS-vDS=VT时，漏端沟道消失，出现预夹断点。预夹断点夹断区17012345iD/mA6V5V4V3V24681012141618vDS/VvGS=（1）N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线如图所示。二特性曲线18其中ID0是vGS=2VT时的iD值。（2）N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线如图所示。在时,iD与vGS的关系可用下式表示:4321iD/mA02468vGS/VvDS＝10VVT＝3V在vGS≥VT

,且vDS≥vGS-VT

,即在输出特性曲线的恒流区内，漏极电流iD与栅极电压vGS的关系为：三耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET，由于绝缘层具有正离子，即使vGS=0，仍能形成N型导电沟道19N沟道耗尽型MOSFET特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）21四沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后22五、场效应管的主要参数P208一>直流参数对NMOS增强型1.开启电压VT

（增强型参数）2.夹断电压VP

（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS

（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二>交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

232.低频互导gm

二>交流参数考虑到

则其中

在vDS为定值的条件下,漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比,称为跨导或互导,即24三>极限参数1.最大漏极电流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源电压V（BR）DS

4.最大栅源电压V（BR）GS

§5.3场效应管及其放大电路

与三极管一样,根据输入、输出回路公共端选择不同,将场效应管放大电路分成共源、共漏和共栅三种组态。本节主要介绍常用的共源和共漏两种放大电路。25

由于栅极电阻上无直流电流,因而26

漏极电阻：将漏

极电流转换成漏

极电压，并影响

放大倍数Au旁路电容：消除Rs对交流信号的衰减源极电阻：利用IDQ在其上的压降为栅源极提供偏压

栅极电阻：将Rs压降

加至栅极d＋UDDR＋C2＋RsCsRgC1＋＋－ui＋－uo共源放大电路1.电路组成及直流偏置自偏置式共源放大电路gsd

场效应管放大电路的静态工作点27

Rg1，Rg2：栅极

分压电阻使栅极获

得合适的工作电压

栅极电阻：用来

提高输入电阻分压偏置式共源放大电路Rd＋C2＋VDD－vo＋Rs＋CsRg1Rg3Rg2＋C1＋－vigdsID28292.动态分析

放大电路的动态参数可由微变等效电路求出。

1）场效应管的微变等效电路

2）共源放大电路的微变等效电路

3）求动态参数30场效应管的微变等效电路GSDrds=

VDS/

ID很大，可忽略。SGDrds31场效应管的微变等效电路压控电流源SGD32共源放大电路的微变等效电路Rg1Rg2Rg3Ri＋－Vi＋Vgs－ggmVgsRdRL＋－VoRodsRd＋C2＋VDD－vo＋Rs＋CsRg1Rg3Rg2＋C1＋－vi

（1）电压放大倍数:

33（2）输入电阻:

（3）输出电阻:Rg1Rg2Rg3Ri＋－Vi＋Vgs－ggmVgsRdRL＋－VoRods34静态分析无输入信号时（vi=0），估算：VDS和ID。IDVDSR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VVDD=20V例+VDD=+20VvoRSviCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K35设：VG>>VGS则：VGVS而：IG=0+UDD+20V所以：=直流通道IDVDSIGR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS36动态分析微变等效电路SGR2R1RGDRLRDVgsgmVgsViVoId+VDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGD37

动态分析：VgsViVgsgmIdriroVoSGR2R1RGRLDRLRD电压放大倍数负号表示输出输入反相38电压放大倍数估算=-3（10//10）=-15R’L=RD//RLR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VVDD=20V39ro=RD

=10K输入电阻、输出电阻=1+0.15//0.05=1.0375Mri=RG+R1//R2R1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VVDD=20VSGR2R1RGRLDRLRDriro40共漏放大电路

共漏放大电路又称源极输出器。＋VDD＋C2RRg2C1＋＋－vi＋－voRg141＋VDD＋C2RRg2C1＋＋－vi＋－voRg1静态分析gdsID42Rg1Rg2＋－Vi＋Vgs－ggmVgsR＋－Vods

动态分析：43(源极输出器)vo+VDD+20VRSviC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VVDD=20V共漏放大电路44静态工作点:VSVGV