场效应管及其基本电路.ppt

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1、第三章 场效应管及其基本电路31 结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理312 结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线二、输出特性曲线1.可变电阻区2.恒流区3.截止区4.击穿区10/26/2022132 绝缘栅场效应管(IGFET)321 绝缘栅场效应管的结构322 N沟道增强型MOSFET一、导电沟道的形成及工作原理二、转移特性三、输出特性(1)截止区(2)恒流区(3)可变电阻区10/26/20222323 N沟道耗尽型 MOSFET324各种类型MOS管的符号及特性对比33 场效应管的参数和小信号模型331场效应管的主要参数一、直流参数二、极限参数三、交流参数332 场效应管

2、的低频小信号模型10/26/2022334 场效应管放大器341 场效应管偏置电路一、图解法二、解析法342 场效应管放大器分析一、共源放大器二、共漏放大器10/26/20224第三章第三章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。）的分析方

3、法。10/26/20225场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管JFET(Junction FET)绝缘栅场效应管IGFET(Insulated Gate FET)双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。10/26/2022631 结型场效应管结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain 漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正

4、向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构.avi一、结型场效应管的结构一、结型场效应管的结构10/26/20227P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向10/26/20228NDGSPP(a)UGS=0，沟道最宽图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图二、结型场效应管的工作原理二、结型场效应管的工作原理10/26/20229(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：UGS沟道宽度 PN结耗尽层宽度10/26/202210(c)

5、UGS负压进一步增大，沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff夹断电压夹断电压10/26/202211DGSUDSUGSIDPP 0沟道预夹断DGS(a)uGDUGSoff（预夹断前）UDSID 0UGSPP 图34 uDS对导电沟道的影响 uGD=UGSoff（预夹断时）纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）10/26/202212由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不变。DGSUDSUGS沟道局部夹断IDPP几乎不变(b)uGDUGSoff（或uDSUGSoff预夹断前所对应的区域。uGS0，u

6、DS010/26/202214图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线.avi10/26/202215 当uDS很小时，uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时，uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。10/26/2022162.恒流区iD

7、的大小几乎不受uDS的控制。预夹断后所对应的区域。uGDuGS-UGSoff）uGSUGSoff(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大极小。10/26/2022174.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大。当UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3.截止区10/26/202218二、转移特性曲线二、转移特性曲线式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为

8、零。恒流区中：uGS0，iD010/26/202219uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线10/26/202220uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V从输出特性曲线作转移特性曲线示意图转移特性曲线转移特性曲线.avi10/26/20222132 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了

9、一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介一、简介10/26/202222MOSFETN沟道P沟道增强型 N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类二、分类10/26/202223321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构322 N沟道增强型沟道增

10、强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理UGS=0，导电沟道未形成PN结(耗尽层)NNP型衬底DSG10/26/202224B(a)UGSUGSth，导电沟道已形成栅源电压栅源电压VGS对沟道的影响对沟道的影响.avi10/26/202226图 uDS增大，沟道预夹断前情况BUDSP型衬底UGSN+N+10/26/202227图39 uDS增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底UGSN+N+预夹断10/26/202228图 uDS增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底UGSN+N+漏源电压漏源电压VDS对沟道的影响对沟

11、道的影响.avi10/26/202229二、输出特性二、输出特性(1)截止区uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）10/26/202232三、转移特性三、转移特性(1)当uGSUGSth时，iD 0，二者符合平方律关系。iD010/26/202233uGS/V032112345UGS thiD/mA图37 NMOSFET的转移特性曲线10/26/202234323 N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET(Depletion NMOSFET)ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。10/26/202235图 N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成BN导

12、电沟道（反型层）P型衬底NUGS=0，导电沟道已形成10/26/202236图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号10/26/202237图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB10/26/202238324各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道JFET图311各种场效应管的符号对比10/26/202239图311各种场效应管的符号对比10/26/202240JFET：利用栅源电压（输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏

13、极电流（输出电流）的控制。MOSFET：利用栅源电压（输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。FET输入输入电压电压输出输出电流电流GSSDuGSiD10/26/202241iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：P沟道：10/26/202242图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区012345601231233456789结型P 沟耗尽型MOS P沟

14、345601201231233456789结型N沟耗尽型 增强型MOS N沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道：P沟道：10/26/202243放大饱和/可变电阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FETBJT与与FET工作状态的对比工作状态的对比10/26/202244场效应管工作状态的判断方法场效应管工作状态的判断方法1.先判断是否处于先判断是否处于截止状态截止状态2.再判断是否处于再判断是否处于放大状态放大状态或或或或指导思想：假设处于某一状态，然后用计算结果验证假设是否成立。10/26/20224533 场效应管的参数和小信号模型场效应管的参数和小信号模型 331

15、 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：(2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。对应uGS=0时的漏极电流。2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。10/26/2022463.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS。二、极限参数二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PD

16、M=IDUDS10/26/202247三、交流参数三、交流参数1跨导gm对JFET和耗尽型MOS管那么10/26/202248而对增强型MOSFET那么，对应工作点Q的gm为10/26/2022492.输出电阻rds 恒流区的rds可以用下式计算UA为厄尔利电压。10/26/202250 若输入为正弦量，上式可改写为通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则332 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型10/26/202251rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313 场效应管低频小信号简化模型10/26/20225234 场效应管放大器场效应管放大

17、器341 场效应管偏置电路场效应管偏置电路偏置方式自偏压方式混合偏置方式 确定直流工作点方法图解法解析法 适宜 JFET、DMOSFET适宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET10/26/202253 图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)10/26/202254一、图解法一、图解法栅源回路直流负载线方程1.自偏压方式RDUDDRSuiRGV图315(a)图解法求自偏压方式电路的直流工作点Q10/26/202255图315(b)图解法求混合偏置方式电路直流工

18、作点2.混合偏置方式栅源回路直流负载线方程RDUDDRSuiRG2RG110/26/202256二、解析法二、解析法已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。RDUDDRSuiRGV10/26/202257 342场效应管放大器分析场效应管放大器分析一、共源放大器一、共源放大器图316(a)共源放大器电路10/26/202258图316(b)共源放大器电路低频小信号等效电路10/26/202259uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm5mA/V图318(a)带电流负反馈的放大电路例例 试画出低频小信号等效电路，并

19、计算增益Au。10/26/202260图3-18(b)(c)带电流负反馈放大电路的等效电路及简化等效电路10/26/202261C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V图319(a)共漏电路二、共漏放大器二、共漏放大器10/26/202262图319(b)共漏电路等效电路 UoRLRSSDIdgmUgsgmUi-Id(RSRL)/10/26/2022631.放大倍数Au UoRLRSSDIdgmUgs10/26/2022642.输入电阻 C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUoRG31MUigm2mA/V10/26/202

20、265图图320计算共漏电路输出电阻计算共漏电路输出电阻Ro的电路的电路 3.输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kUoRG31MRL10kUigm2mA/VIo10/26/202266图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路10/26/20226710/26/202268作作 业业3-13-33-43-53-73-810/26/202269uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线10/26/202270图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线

21、(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线.avi10/26/202271uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V从输出特性曲线作转移特性曲线示意图转移特性曲线转移特性曲线.avi10/26/202272源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD(a)立体图图35绝

22、缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图10/26/202273图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(b)剖面图SGDNNP型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线 B半导体N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号的结构示意图和符号.avi10/26/202274uGS/V032112345UGS thiD/mA图37 NMOSFET的转移特性曲线10/26/202275iD0uDSUGS6V截止区4V3V2V5V可变电阻区恒流区区穿击 图38输出特性(a)输出特性10/26/202276 图38输出特性uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)厄尔利电压10/26/202277BJTFET导电机构多子、少子（双极型）多子（单极型）工作控制方式流控压控输入阻抗1021031081012放大能力(大)gm(小)工艺复杂简单，易集成使用CE不可置换DS 可置换辐射光照温度特性不好好抗干扰能力差好BJT与FET的对比10/26/202278使用FET的几点注意事项保存测量焊接JFET用万用表测试要小心谨慎。电烙铁要有中线。MOSFET一般不可测。各电极焊接顺序为：SDG。断电焊接。注意将几个管脚短路（用金属丝捆绑）。10/26/202279