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1、模拟电子技术基础,多媒体教学,内江师范学院物电学院:邹万全,4.1 结型场效应管,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,4.4 场效应管放大电路,4.5 各种放大器件电路性能比较,*4.2 砷化镓金属-半导体场效应管,4 场效应管放大电路,场效应管是继双极型三极管之后一种颇具特色的单极型半导体器件，,双极型三极管的一个致命弱点是输入电阻低，场效应管从根本上解决了这一问题，它具有输入电阻高、噪声系数小，抗干扰能力强和热稳定性好等优点，因而获得了广泛应用。,场效应管分为结型（JFET）和绝缘栅场效应管（又称MOSFET）两大类。虽然结型场效应管的输入电阻比绝缘栅型低几个数量级，但因不易被感应击穿，
2、所以在应用方面仍受到普遍欢迎。,它利用外加电压所产生的电场来实现控制和放大作用，是一种电压控制的电流源。,4 场效应管放大电路,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,分类：,注：MOSFET 金属氧化物半导体场效应管,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,4.1 结型场效应管, 结构, 工作原理, 输出特性, 转移特性, 主要参数,4.1.1 JFET的结构和工作原理,4.1.2 JFET的特性曲线及参数,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示,符号,4.1.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构与符号（结构以为例）,# 符号中的箭头方向表示什么？（由指向）
3、,（）结构：,两个PN结（耗尽层）的中间形成N型导电沟道（电子导电沟道）。,在N型半导体两侧是两个高掺杂的P区，从而构成了两个PN结（耗尽层）。,另一种结构（结构以为例）,在N型半导体两侧是两个高掺杂的P区，从而构成了两个PN结（耗尽层）。,N型导电沟道,g（栅极）,d（漏极）,s（源极）,N,两个PN结(耗尽层)的中间形成N型导电沟道。,结 （耗尽层）,（）四种的符号：,与三极管类似， N沟道JFET工作时，在栅极与源极间需加一负电压 ， 使栅极、沟道间的PN结反偏，栅极电流 ,场效应管呈现高达 以上的输入电阻。在漏极与源极间加一正电压, 使N沟道中的多数载流子（电子）在电场作用下由源极向漏
4、极运动，形成漏极电流 ，的大小受控制。,P沟结型场效应管放大电路如何画？ （与沟结型场效应管放大电路相比，间、间的电压极性应相反）,2. 工作原理,（以N沟道JFET为例）,利用外加电压 改变导电沟道的宽度，从而控制电流 的大小。,的控制,的影响,A,B.,结论：,（1）JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏值的，因此，其输入电阻很高。,（2）JFET是电压控制电流器件， 受 控制。,（3）当电子沟道未夹断，在夹断前，保持不变，随 呈线性增加关系；当电子沟道夹断，沟道电阻趋于无穷大，在夹断后，仍保持不变，即 趋于饱和，其漏级饱和电流记为。, 在VDS不变时（VDS=0） ，VGS对沟道的控制作
5、用。,当VGS0时,当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄，沟道电阻变大。,VGS继续减小， 沟道继续变窄，沟道电阻继续变大,沟结型场效应管呢？,当,结(耗尽层）最窄,导电沟道最宽,沟道电阻最小,漏极电流最大,当,当,结变宽,导电沟道变窄,沟道电阻变大,两侧结将在中间合拢,沟道全部被夹断,沟道电阻为,相应的栅源间的电压称为夹断电压,*另简述：在保持不变时，VGS对的控制作用, 在VGS不变时（VGS=0） ，VDS对沟道的控制作用,当VGS=0时，,VDS,ID ,G、D间PN结的反向
6、电压增加， VDS使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当VDS继续增加，直到紧靠漏极处左右两个PN结刚好相互接触，既出现“预夹断”现象。此时，VGD=VP,此时VDS ,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,*另简述：在VGS不变时（VGS=0） ，VDS对 iD的控制作用, VGS和VDS同时作用时,当VP=VGS0 时，导电沟道夹断,对于同样的VDS ，在VGS时得到的 ID值比VGS=0时得到的ID值要小。（VGS=0时的I称为漏极饱和电流，用表示）,在预夹断处,VGD= VGSVSD VGS-VDS 0,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
7、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。,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,4.1.2 JFET的特性曲线及参数,2. 转移特性,VP,1. 输出特性, 夹断电压VP (或VGS(off)：, 饱和漏极电流IDSS：, 低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值 。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，
8、单位是mS(毫西门子)。, 输出电阻rd：, 直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。, 最大漏极功耗PDM 结型场效应管的耗散功率等于iD和vDS的乘积。耗散到管子中的功率将变成热能，使管子的温度升高。为了限制管子的温度不要升高太高，就要限制它的耗散功率不能超过最大耗散功率PDM。, 最大漏源电压V(BR)DS 指结型场效应管在发生雪崩击穿时，iD开始急剧上升时的vGS值。由于加到PN结上的反向电压与vGS有关，因此vGS愈负， V(BR)DS就愈小。, 最大栅源电压V(BR)GS 指输入到PN结的反向电流开始急剧增加时的vGS值。,4.4 场效应管放大电路,
9、直流偏置电路, 静态工作点, FET小信号模型, 动态指标分析, 三种基本放大电路的性能比较,4.4.1 FET的直流偏置及静态分析,4.4.2 FET放大电路的小信号模型分析法,1. 直流偏置电路,4.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析,（1）自偏压电路,（2）分压式自偏压电路,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS,VGS =,- IDR0,Q点：,VGS 、,ID 、,VDS,VGS =,VDS =,已知VP ，由,VDD,- ID (Rd + R ),- IDR,可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS,4.4.2 FET放大电路的小信号模型分析法,1. FET小信号模型,（1）低
10、频模型,（2）高频模型,2. 动态指标分析,（1）中频小信号模型,2. 动态指标分析,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略 rD,由输入输出回路得,则,通常,则,例4.4.2 共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,（2）中频电压增益,得,解：,（1）中频小信号等效电路,由,例题,（4）输出电阻,所以,由图有,例题,（3）输入电阻,3. 三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,见P183表4.4.1（1）,见P183表4.4.1（2）
11、,见P183表4.4.1（3）,3. 三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,解：,画中频小信号等效电路,则电压增益为,例题,根据电路有,由于,则,结型场效应管（）的符号和转移特性曲线,提示：“金属氧化物半导体场效应管”（绝缘栅场效应管场效应管）的结构和转移特性曲线,场效应管与晶体管的比较,类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道,放大参数,结束,.绝缘栅型场效应管及其放大电路,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所
12、以它的输入电阻高，且温度稳定性好。,结型场效应管,按结构不同场效应管有两种:,绝缘栅型场效应管,本节仅介绍绝缘栅型场效应管,按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类 每类又有N沟道和P沟道之分,.金属氧化物半导体场效应管绝缘栅场效应管,漏极D,栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,(1) N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构,栅极G,源极S,1. 增强型绝缘栅场效应管,符号：,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014 。,由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,(2) N沟道增强型绝缘栅场效
13、应管的工作原理,由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。,当栅源电压UGS = 0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。,当UGS 0 时，P型衬底中空穴在电场力作用下向下运动，在表层形成由负离子构成的耗尽层；P型衬底中的自由电子在电场力作用下向上运动到达表层，填补耗尽层，迫使耗尽层向下移动。,N型导电沟道,在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。,当UGS UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。,开启电压UGS(th）：
14、在漏源电压UDS一定的条件下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。,N型导电沟道,当UGS UGS(th）后，N沟增强型绝缘栅场效应管才能形成N型导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的漏源电压UDS，则产生漏极电流ID。在UDS一定的条件下，漏极电流ID的大小与栅源电压UGS大小有关。其关系是正向变化关系，所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。,在漏源电压UDS一定的条件下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。,(3) 特性曲线,有导电沟道,转移特性曲线,无导电 沟道,开启电压UGS(th）,UDS,UGS/,漏极特性曲线,恒流区,可
15、变电阻区,截止区,符号：,结构,(4) P沟道增强型绝缘栅场效应管,SiO2绝缘层,栅源极间加反向电压，且反向电压大小 一定要大于开启电压大小时才能够形成 P型 导电沟道。,P沟增强型绝缘栅场效应管只有当UGS UGS(th）时才形成导电沟道。（这里，UGS0； UGS(th）0 ）,2. 耗尽型绝缘栅场效应管,符号：,如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。,(1 ) N沟道耗尽型绝缘栅场效应管,SiO2绝缘层中 掺有正离子,予埋了N型 导电沟道,.,由于N沟耗尽型绝缘栅场效应管预埋了电子导电沟道，所以在UGS= 0时，若漏源之间加上一定的正向电压UDS，也会有方向向内的漏
16、极电流 ID 产生，该电流称为饱和漏极电流，用 IDSS表示。,当UGS 0时，使电子导电沟道变宽， ID 增大到大于IDSS ； 当UGS 0时，使电子导电沟道变窄， ID 减小； UGS的负值愈高，沟道愈窄， ID就愈小。,当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用VP或UGS(off）表示。（ VP 0 ）,(2) N沟道耗尽型绝缘栅场效应管（MOS管）的特性曲线,夹断电压,N沟道耗尽型MOS管在UGS= 0时就有导电沟道，当栅源之间所加上的反向电压到达一定值时，漏源之间的导电沟道才能夹断。,UGS(off),IDSS,.,(3) P 沟道耗尽型绝缘栅场效应管（ P 沟道耗尽型MOS管）,予埋了P型 导电沟道,SiO2绝缘层中 掺
