场效应管及其基本放大电路_1课件

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1、3.1 结型场效应管,3.3 场效应管放大电路,3.2 绝缘栅场效应管,第3章 场效应管及其基本放大电路,1.场效应管类型的判断,3.场效应管三种工作状态的判断。,2.场效应管三种工作状态的特点和条件。,本节重点：,3.1.1 结型场效应管的结构及类型,3.1.3 结型场效应管的伏安特性,3.1.2 结型场效应管的工作原理,3.1.4 结型场效应管的主要参数,3.1 结型场效应管,BJT是一种电流控制元件(iBiC)，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(uGSiD) ，工作时，

2、只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。,引言,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。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。,场效应管 FET (Field Effect Transistor),类型：,引言,3.1 结型场效应管,3.1.1 结型场效应管的结构及类型,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,结型场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS0，漏源之间加正向电压，即UDS0。,漏极,栅极,源极,3.1.2 结型场效应管的工作原理,1. 当uD

3、S=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用,uGS=0 UGS（off）uGS0 uGS UGS（off）,夹断电压：UGS(off),1. 当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用,uGS对导电沟道的控制作用：,(1) uGS=0时，导电沟道最宽，电阻最小。,(2) uGS0 时，沟道变窄，电阻增大，且uGS越负，沟道越窄，电阻越大。,(3) uGS =UGS（off）时，沟道夹断。,2. 当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响,UGS（off）uDS0 uDS=UGS（off） uDSUGS（off）,预夹断,2. 当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响,uDS

4、对导电沟道的影响:,1.uDS0 ，产生iD，沿沟道不等电位，沟道楔型；,2. uDS的增大， iD 增大，且uDS越大，漏极处沟道越窄；,3. 当uDS=UGS（off），沟道在D处预夹断， iD 达到最大值。记 为漏极饱和电流IDSS。,4. uDSUGS（off） 后， uDS继续增大， iD 不再变化，预夹断 点向下移动。,3. 当uGS0、uDS0时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用,(1)uGS 0，uDS 0,此时 uGD = UGS(off)；,沟道楔型,(2)耗尽层刚相碰时称预夹断。,(3)当 uDS ，预夹断点下移。,uDS=uGSUGS（off）,uGD=uGS-u

5、DS=UGS（off）,3. 当uGS0、uDS0时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用,(4) uGS加大，耗尽层变宽，导电沟道变窄，电阻变大， 在同样的uDS下，iD变小；,uGS变小，导电沟道变宽，电阻变小，iD变大。,体现了栅源电压uGS对 漏极电流iD的控制作用。, 预夹断前: uDS增大，iD增大，漏源间呈现电阻特性， 但uGS不同，对应的电阻不同。 此时，场效应管可看成受uGS控制的可变电阻。, 预夹断后: uDS增大，iD几乎不变。 但是，随uGS增大，iD减小，iD几乎仅仅决定于uGS，而与 uDS无关。此时，可以把iD近似看成受uGS控制的电流源。,综上所述,3.1.3

6、 结型场效应管的伏安特性,1. 输出特性,2. 转移特性,UGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下,3.1.4 结型场效应管的主要参数,1. 直流参数,(1) 夹断电压UGS（off） 指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。,结型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,(2) 饱和漏极电流IDSS,(3) 直流输入电阻RGS(DC),是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107。,反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS),2. 交流参数,(1) 低频跨导gm,(

7、2) 极间电容,CGS约为13pF，而CGD约为0.11pF,3. 极限参数,(1) 最大漏极电流IDM,(2) 最大漏源电压U(BR)DS,(3) 最大栅源电压U(BR)GS,(4) 最大耗散功率PDM,PDM = uDS iD，受温度限制。,3.2 绝缘栅场效应管,一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N+ 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Dra

8、in,工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电 压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。,3.2.1 增强型MOS管,2. 工作原理,(1) 导电沟道的形成,uGS=0,uGS0 且uGSUGS(th),2.工作原理, 当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0),当栅源间无外加电压时，由于漏源间不存在导电沟道，所以无论在漏源间加上何种极性的电压，都不会产生漏极电流。 正常工作时，栅源间必须外加电压以使导电沟道产生，导电沟道产生过程如下：,2.工作原理,1

9、).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0),当在栅源间外加正向电压UGS时，外加的正向电压在栅极和衬底之间的i2绝缘层中产生了由栅极指向衬底的电场，由于绝缘层很薄（0.1um左右），因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近i2一侧P型衬底中的多子（空穴）受到排斥而向体内运动，从而在表面留下不能移动的负离子，形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。,开启电压UGS(th):开始形成反型层的栅源电压。,2.工作原理,1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0),随着正向电压UGS的增大，耗尽层也随着加宽，但对于P型半导体中的少子（电子），此时则受到电场力的吸引。当UGS增

10、大到某一值时，这些电子被吸引到P型半导体表面，使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层，鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的，故将它称为反型层。,当uGSUGS(th)，漏源之间形成 导电沟道 (反型层),2.工作原理,1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0),反型层与漏源间的两个N型区相连，成为漏源间的导电沟道。这时，如果在漏源间加上电压，就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压，用UGS(th) 表示。,显然，栅源电压UGS越大，作用于半导体表面的电场 越强，被吸引到反型层中的电子愈多，沟道愈厚，相应 的沟道电阻就愈小。,当uGS UGS(th)，且固定为

11、某一值时，来分析漏源电 压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V， uGS=4V）,（a）uDS=0时， id=0。沟道等宽。,（b）uDSid； ，漏极附近的电场减弱， 同时沟道靠漏区变窄。,（c）当uDS增加到使uGD=UGS（th）时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。此时漏极电流iD达到最大。,（d）uDS再增加，预夹断区 加长， uDS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).漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用,DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,uGD = uGS-uDSuGS；,(1) 输出特性,可变电阻区,uDS uGS

12、UGS(th),uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,3. 伏安特性,(2) 转移特性,UDS = 10 V,UGS (th),当 uGS UGS(th) 时：,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,开启电压,O,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，,uGS UGS(off) 时，全夹断。,输出特性,转移特性,IDSS,U

13、GS(off),夹断 电压,饱和漏 极电流,当 uGS UGS(off) 时，,O,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,3.1.3 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 uDS = 某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS 值。,UGS(th),2. 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,UGS(th),3. 直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,4. 低频跨导

14、gm,反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS),O,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,FET 符号、特性的比较,N 沟道结型,P 沟道结型,3.2.3 场效应管与晶体管的比较,【例3-1】 已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15 所示，试确定场效应管的类型。,UGS（th）=2V,为N沟道增强型MOS管。,2场效应管工作状态的判断 能否导通：,(2)恒流区与可变电阻区的判断方法：, 先假设FET工作在恒流区。, 由已知条件求ID和UDS。,判断,【例3-2】 电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如图3-

15、16(b)所示，分析当uI3V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。,【解】,UGS（th）=5V,uGSuI,当uI3V时，uGS小于开启电压， 即uGSUGS(th)，故场效应管截止。,当uI8V时，uGSUGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根据输出特性可知iD0.6mA，则管压降 uDSVDDiDRd=120.63.310V,uGSUGS(th)=8V5V=3V， 所以，uDSuGSUGS(th)， 说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。,因为：uDS10V,当uI12V时，uGSUGS(th)，场效应管导通，,假设场效应管工作在恒流区,可知，当UGS=

16、12V时,iD4mA,则：uDS=VDDiDRd=1243.31.2V,而电路实际的uDS0,所以：假设不正确，实际的iD小于4mA,故场效应管工作在可变电阻区。,【例3-3】 图3-17所示电路，已知RD=3.3k，RG=100k， VDD=10V，VGG=2V，场效应管的UGS(off)=5V，IDSS=3mA， 试分析场效应管工作在什么区域。,解：,UGSQ=VGG=2VUGS(off),场效应管导通,假设场效应管工作在恒流区,UGSQUGS(off)= 2(5)=3V,UDSQUGSQUGS(off),假设正确,3.3.2 场效应管放大电路的动态分析,3.3.1 场效应管放大电路的直流偏置与静态分析,3.3 场效应管放大电路,3.2.1 场效应管放大电路,三种组