模拟电子线路第二章(2)教材

1场效应管及其应用1.4场效应管2.6场效应管放大电路2引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(Insulated

GateFET)也称金属氧化物半导体场效应管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）

是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件3特点：1.单极型器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、

体积小、成本低2.输入电阻高、噪声低

(107

1015

，IGFET可高达1015

)41.4.1结型场效应管1、N沟道JFET的结构示意图和电路符号耗尽层栅极(Gate)源极(Source)漏极(Drain)5按照类似的方法，将基片换为P型半导体，把两边扩散的半导体改为N型的，就制成了P沟道的结型场效应管。P沟道JFET的结构示意图和电路符号62、结型场效应管的工作原理(1)vDS=0时vGS对沟道的影响此时沟道被夹断，对应的称为夹断电压用表示GSvPV­||GSv­¾®¾结PN¯¾®沟道¯Di0==DPGSiVv时，沟道消失出现夹断当此时：7(2)vGS=0时vDS对沟道的影响­||DSv此时沟道出现预夹断­¾¾¾¾¾®¾Di沟道电场强度加大基本不变继续增大，夹断点下移DDSiv预夹断击穿思考：vGS不等于零（小于零）沟道如何变化？iD如何变化？沟道出现预夹断（iD为漏极饱和电流）增加到：当DSv

vGD

=VPvGD

=vGS

－vDS

动画83、结型场效应管的伏安特性①输出特性可变电阻区饱和区(放大区)

击穿区

截止区N沟道结型场效应管的输出特性曲线输出特性分为三个区：可变电阻区：

vGD

=vGS

－vDS

>VP,vGS

>VP饱和区（放大区）：vGD

=vGS

－vDS

<VP,vGS

>VP截止区：vGD

=vGS

－vDS

<VP,vGS

<VP9转移特性(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线

耗尽型场效应管，当vGS

=0时所对应的漏极电流。10P沟道结型场效应管的伏安特性曲线P沟道JEFT工作时：0<DSv0>GSv114、结型场效应管的主要参数①夹断电压VP

(或VGS(off))

当vGS=VP时，漏极电流为零。②饱和漏电流IDSS

耗尽型场效应三极管，在VGS=0的情况下（饱和区），所对应的漏极电流。发生PN结击穿，开始急剧上升时的的值。

③漏源击穿电压

DSBRV)(12④输入电阻rgs对于结型场效应三极管，反偏时rgs约大于107Ω，对于绝缘栅场型效应三极管，rgs约是109～1015Ω。⑤低频跨导gm

低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。单位是mS(毫西门子)。13⑥输出电阻dsrConstvDDSGDiv=¶¶=⑦最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由PDM=

vDS

iD决定。在饱和区内，场效应管的输出电阻也比较大，一般为几十到几百千欧姆。141.4.2绝缘栅型场效应管Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffrctTransistor(MOSFET)MOSFET增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道当时，就已经存在导电沟道

当时，不存在导电沟道

15一、增强型MOS场效应管1、结构铝N沟道增强型MOSFET的结构示意图和电路符号

箭头方向表示由P衬底指向N沟道16P沟道增强型MOSFET的结构示意图和电路符号

172、工作原理

①栅源电压对沟道的影响反型层N型沟道生成！

越大，电场就越强，沟道将越厚，iD也就越大。

通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。

增加VGS，当VGS＞VT时（VT

称为开启电压），在靠近栅下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，形成沟道，将漏极和源极沟通。动画18②同时加入漏源电压后对沟道的控制作用DI出现预夹断击穿预夹断vGD=vGS－vDS

当vDS增加到使VGD=VT时，这相当于漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。

当vDS增加到VGD

VT时，此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。当vDS较小时，相当vGD＞VT，此时vDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。动画193、伏安特性可变电阻区饱和区

击穿区

截止区VGS<VT,iD=0N沟道增强型场效应管的输出特性曲线①输出特性输出特性分为三个区：可变电阻区：

vGD

=vGS

－vDS

>VT,vGS

>VT饱和区（放大区）：vGD

=vGS

－vDS

<VT,vGS

>VT截止区：vGD

=vGS

－vDS

<VT,vGS

<VT20转移特性转移特性曲线称为导通参数

W为导电沟道的宽度L是导电沟道的长度

21二、N沟道耗尽型MOS场效应管时沟道就存在了

SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子22P沟道耗尽型MOS场效应管电路符号231、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理时沟道就存在了

时，导电沟道会变厚，直至ID=0。对应ID=0的vGS称为夹断电压，用符号VP表示。时，沟道会变薄，0<GSv¯Di242、伏安特性（a）输出特性(b)转移特性25(3)P沟道耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。26各种场效应管特性的比较FETJFETMOSFETN沟道JFETP沟道JFET增强型MOSFET耗尽型MOSFETN沟道P沟道N沟道P沟道2)1(PGSDSSDVvIi-=2)(TGSnDVvKi-=2)1(PGSDSSDVvIi-=27不同类型FET转移特性比较结型N沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS管(耗尽型)IDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO

是uGS

=2UGS(th)时的iD

值28

(a)N沟道FET(b)P沟道FET29双极型和场效应型三极管的比较

双极型三极管场效应三极管结构

NPN型结型N沟道P沟道 PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道

C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成302.6场效应管放大电路

与晶体三极管放大电路一样，场效应管都应工作于输出特性曲线的饱和区内，所以都需要建立合适的静态工作点，但是因为场效应管是电压控制电路，所以它需要有合适的栅源电压。31一、场效应管放大器的偏置电路1、自偏压电路直流通路

VG=0,VS=IDR所以：

VGSQ=VG-VS

=-IDQR

2PGSQDSSDQ)VV-(1II=)(RRIVVDDQDDDSQ+-=

该电路只适合于耗尽型FET，因为增强型的FET当栅源电压为零时，无漏极电流，所以不能使用这种电路。322、分压式偏置电路VS=IDQRs33RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3使FET工作于饱和区34二、场效应管的小信号模型为了得到交流小信号在Q点上求全微分35，它正对应于场效应管的转移特性在Q点处对的控制作用,称之为跨导。36三、场效应管放大器的解析法

共源极放大器求其电压增益、输入电阻、输出电阻的表达式37画出小信号等效电路交流通路小信号等效电路求电压增益gsLDdsgsmVRRrVg)////(-=)////(LDdsmRRrg-=38输入电阻、输出电阻共源电路属于反相电压放大器，其增益较大，输入电阻较高，输出电阻由RD决定39例：如图所示的共源放大器。求其电压增益、输入电阻、输出电阻的表达式。40解：作出交流通路和小信号等效电路

DRR»0412、共栅极放大器*

——由于栅极与沟道之间的高阻未发挥作用，所以很少用3、共漏极放大器42(1)直流分析直流通路GDSVGSQ=VG－VS=VG－IDQR

VDSQ=VDD－IDQR

43(2)交流分析交流通路小信号等效电路①电压放大倍数式中RL′=≈R//RL≈144②输入电阻③输出电阻GDS小信号等效电路GSD(忽略Rs上压降)45共漏电路又称源极输出器，其输出电压和输入电压同相，电压增益接近1，输入电阻高，输出电阻小。46例1、判断下列电路能否正常工作。不能，因为VGS>0能不能，因为VGS=0，没有导电沟道不能，因为VDS<047

三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下组态对应关系

CE/CB/CC

CS/CG/CDbeLLbeLbeL//RC

+=CB

)1(

)(1

=CC//RC=CErRβARβrRβArRβAvvv//RE++//RE+-&&&：：：LmLmLmLm+=CG

1

=CD

=CSRgARgRgARgAvvv’

+’

’

-：：：&&电压