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1、场效应管,BJT是一种电流控制器件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(vGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,P沟道,耗尽型 （D型）,P沟道,P沟道,增强型（E型）,场效应管的分类：,4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,4.1.5 MOSFET的主要参数,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,4.1
2、.3 P沟道MOSFET,4.1.4 沟道长度调制效应,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构（N沟道）,绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1. N沟道增强型MOS管 结构 （4个电极） 漏极d，源极s， 栅极g， 衬底b。,符号,MOSFET结构动画演示,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,2. 工作原理,当vDS=0且vGS0V时g、b间存在纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥，留下带负电的离子形成耗尽层。,当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，在
3、d、s之间加上电压后，总有一个PN结反偏，不会形成电流，即管子截止。,再增加vGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道（反型层、感生沟道），如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。,栅源电压vGS的控制作用,注意：由于有SiO2绝缘层，故栅极电流为0。,定义： 开启电压（VT）刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性： vGS VT ，管子截止， vGS VT ，管子导通。 vGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏极电流ID越大。,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,2. 工作原理, 漏源电压vDS对漏极电流id的影响,当vGSVT
4、，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设VT=2V，vGS=4V）,（a）vDS=0时， iD=0。,（b）vDS iD；同时沟道靠漏区变窄。,（c）当vDS增加到使vGDvGSvDSVT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（d）vDS再增加，预夹断区加长， vDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本不变。,2. 工作原理,2. 工作原理,（3） vDS和vGS同时作用时,给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,MOSFET工作原理动画演示,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 截止区 当vGSVT时，
5、导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 可变电阻区 vDS（vGSVT）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 可变电阻区,n ：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 饱和区 （恒流区又称放大区）,vGS VT ，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-
6、I 特性：,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（2）转移特性,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,特点： 当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有iD。 当vGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当vGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,夹断电压（ VP）:沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理（N沟道）,4.1.
7、2 N沟道耗尽型MOSFET,2. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（N沟道增强型）,4.1.3 P沟道MOSFET,4.1.4 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,4.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,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 ，在漏源之间短路时测得（1091015 ）,二、交流参数,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,说明了vDS对iD的影响。是输出特性某一点上切
8、线斜率的倒数。,NMOS增强型,4.1.5 MOSFET的主要参数,2. 低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS)。相当于转移特性上工作点的斜率。是表征FET放大能力的一个重要参数。,4.1.5 MOSFET的主要参数,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,4.3 结型场效应管,4.3.1 JFET的结构和工作原理,4.3.2 JFET的特性曲线及参数,4.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,4.3.1 JF
9、ET的结构和工作原理,1. 结构,结型场效应管结构动画演示,# 符号中的箭头方向表示什么？,2. 工作原理（以N沟道为例）,正常工作条件（N沟道）：,栅源之间加负向电压（vGS0 ）,以形成漏极电流 iD。,场效应管通过栅源电压vGS和漏源电压vDS对导电沟道的影响来实现对iD的控制，从而实现其放大（控制）的功能。,4.3.1 JFET的结构和工作原理,s,4.3.1 JFET的结构和工作原理,工作原理：,当vDS=0（d、s短路）时，vGS对导电沟道的控制作用,s,vDS=0且vGS=0，耗尽层很窄，导电沟道很宽。,|vGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大。, |vGS|增大到某
10、一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，称此时vGS的值为夹断电压VP,4.3.1 JFET的结构和工作原理,当vGS为某一固定值（VP 0 ）时，vDS对漏极电流iD的影响。,vGS为某一固定值（VP 0 ），存在由vGS所确定的一定宽度的沟道。若vDS=0，此时由于ds间电压为零，沟道中的载流子不会产生定向移动，故电流iD=0。,若vDS0，则有电流iD从漏极流向源极，此时沟道中各点与栅极间的电压不等（从源极到漏极逐渐增大），耗尽层宽度不一（沟道上窄下宽，呈楔型）。,由于栅漏电压vGD=vGS-vDS，所以当vDS从零逐渐增大时，vGD逐渐减小，靠近漏极一侧的导电沟道必将随之变
11、窄。但只要栅漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍取决于栅源电压（vGS），故电流iD将随vDS的变化近似线性变化。,一旦vDS的增大使vGDVP，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，称vGDVP为预夹断。,4.3.1 JFET的结构和工作原理,4.3.1 JFET的结构和工作原理,预夹断后，若vDS继续增大，vGDVP，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长。,一方面，自由电子从源极向漏极定向移动所受阻力加大（从夹断区窄缝高速通过），从而导致iD减小； 另一方面，随着vDS的增大，ds间的电场增强，使iD增大。 二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，vDS增大，iD近似不变，即iD仅仅取决于vGS，表
12、现出iD的恒流特性。,当vGDVP 时，vGS对漏极电流iD的控制。,在vGD=vGS-vDSvGS-VP的情况下，当vDS为一常量时，对应于确定的vGS，就有确定的iD。此时通过改变vGS就可以控制iD的大小，这就是场效应管的控制作用。 场效应管控制作用体现在漏极电流受栅源电压的控制，故场效应管为电压控制器件，体现其控制作用的参数为gm（低频跨导）。,结型场效应管工作原理动画演示,4.3.1 JFET的结构和工作原理,小结：,在vGD=vGS - vDSVP的情况下，即当vDSvGS - VP (即gd间未出现夹断) 时，对应于不同的vGS，ds间等效为不同阻值的电阻； 当vDS使vGD=V
13、P时，ds间出现预夹断； 当vDS使vGDVP时，iD几乎仅仅决定于vGS，而与vDS无关。此时可以把iD近似看成vGS控制的电流源。,4.3.1 JFET的结构和工作原理,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,4.3.2 JFET的特性曲线及参数,1. 输出特性,输出特性曲线：,输出特性曲线描述了当栅源电压vGS为
14、常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的函数关系（一簇曲线） 。,场效应管的四个工作区：,可变电阻区：在预夹断前，通过改变vGS的值，可以改变沟道的宽度，从而改变漏源极之间的电阻。,恒流区：当vDSvGSVp，即vGDVp时，各曲线近似一组横轴的平行线。当vDS增大时，iD几乎不变，因而可将iD近似为vGS控制的电流源。该区为场效应管作放大管时的工作区。,夹断区：当vGSVp时，导电沟道被夹断，iD0，无电流。,击穿区：vDS过大，管子击穿。,输出特性曲线动画演示,1. 输出特性,2. 转移特性,转移特性曲线：,转移特性曲线描述了当漏源电压vDS为常量时，漏极电流iD与栅源电压vGS之间的函
15、数关系。,当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为恒轴的一组平行线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区所有曲线。,注意：为了保证栅源间的耗尽层加反向电压，N沟道管vGS0，P沟 道管vGS0。,转移特性曲线动画演示,与MOSFET类似,3. 主要参数,4.3.2 JFET的特性曲线及参数,4.2 MOSFET放大电路,4.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,2. 图解分析,3. 小信号模型分析,4.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,4.2.1 MOSFET放大电路
16、,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT ，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。,VDD=5V， VT=1V，,4.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,饱和区,需要验证是否满足,4.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,静态时，vI0，VG 0，ID I,电流源偏置,VS VGS,（饱和区）,VD VDD IDRd,VDS VD VS,验证是否满足,4.2.1 MOSFET放大电路,2. 图解分析,由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同,4.2.
