模拟电子技术基础第3章-场效应三极管及其应用电路课件.ppt

1、共69页第1页第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3.1 金属-氧化物-半导体场效应管3.2 结型场效应管3.3 场效应管的主要参数 3.4 场效应管基本放大电路3.5 场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较共69页第2页场效应管的历史：场效应管的历史：场效应晶体管的原理于场效应晶体管的原理于19251925年由年由JuliusEdgarJuliusEdgar和于和于19341934年由年由OskarHeilOskarHeil分别发明，但是实用的器件一直到分别发明，但是实用的器件一直到19521952年才制造出来（结型年才制造出来（结型场效应管场效应管Junction-

2、FETJunction-FET，JFETJFET）。）。19601960年年DawanKahngDawanKahng发明了金属发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-Metal-Oxide-SemiconductorField-effecttransistor,MOSFETeffecttransistor,MOSFET），从而大部分代替了），从而大部分代替了JFETJFET。场效应管的发明带来了70年代末80年代初电子技术的第二次革命，由于其体积小、耗电省、制造工艺简单，使制造高密度的CPU和存储器件的成本更加

3、低廉，因而在大规模集成电路中得到了广泛的应用，大大推动了计算机、通讯等相关技术的发展。场效应晶体管是一个三端口器件,可以和其他电路元件构成电压、电流放大电路。第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路共69页第3页场效应管的分类：场效应管的分类：按频率分：按频率分：低频晶体管 高频晶体管 按功率分：按功率分：大功率晶体管 中功率晶体管 小功率晶体管第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路共69页第4页N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘

4、栅型(IGFET)按结构分类按结构分类:第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路共69页第5页3.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管MOSFET利用半导体表面的电场效应工作，其栅极处于不导电的绝缘状态，使输入电阻大为提高，可达1015 。分类：分类：增强型增强型Enhancement-Mode 沟道沟道(-Channel）耗尽型耗尽型Depletion-Mode耗尽型耗尽型Depletion-ModeMOSFETN沟道沟道(n-Channel）增强型增强型Enhancement-Mode耗尽型：uGS0时，存在导电沟道，iD增强型：uGS0时，不存在导电沟

5、道，iD共69页第6页主要内容：主要内容：3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS MOS 管管3.1.2 N3.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS MOS 管管3.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管共69页第7页3.1.1 N沟道增强型MOS管1 1结构结构 N沟道增强型MOS 管电路符号中间的虚线表示UGS为0时，没有导电沟道存在。使用中,衬底和源极相连栅极栅极(漏极漏极()源极源极(共69页第8页2工作原理工作原理MOSFET利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。1)1)uGS=0=0，漏源之间为两个背靠背的PN结

6、，若加uDS总会有一个PN结反偏，故iD=0；3.1.1 N沟道增强型MOS管共69页第9页2工作原理工作原理2)2)uGS0，uDS=0，由于uGS的作用将电子吸引到栅极下部表面，栅极下部形成电子反型层(electron inversion layer)。把开始出现反型层的uGS称为开启电压(Threshold uoltage)。则漏源之间被反型层连接起来，形成导电沟道。若加uDS，会有漏极电流iD产生。3.1.1 N沟道增强型MOS管THU共69页第10页2)uGS0，uDS=0：UGSUTH后，若 uGS提高，反型层加厚，沟道电阻减小。在一定的uDS下，iD增大，体现了uGS对iD的控制

7、作用。如下图的特性所示。3.1.1 N沟道增强型MOS管共69页第11页3)uGS和uDS同时作用 uGD=uGS-uDS，由于uDS 的加入，靠近漏极的电压uGD小于靠近源极的电压 uGS，反型层变薄，开始倾斜，并从漏区开始消失，当uDS较小时，对导电沟道影响不大，iD随uDS的增大而增大。如下图所示的起始部分，FET的漏源之间表现为一个可变电阻，即如下特性的可变电阻区。3.1.1 N沟道增强型MOS管共69页第12页3)uGS和uDS同时作用 uGD=uGS-uDS，随着uDS增大，uGD下降，当uGDUT H时，沟道在靠近漏极处出现夹断，此后uDS增大，夹断区向左延伸，uDS的增加基本降

8、落在夹断区，对iD的影响不大，iD趋于饱和，即特性曲线中的恒流区或饱和区，如下图。3.1.1 N沟道增强型MOS管共69页第13页3特性曲线特性曲线 GSDDSuconst.(u)ifDSDGSuconst.(u)if3.1.1 N沟道增强型MOS管uGD=uGS-uDS转移特性：输出特性：以共源极接法为例，包括输出特性和转移特性以共源极接法为例，包括输出特性和转移特性 共69页第14页特性曲线分为可变电阻区、线性放大区（恒流区）截至区（夹断区）（UGS0，uDS=0 3)3)uGS和和uDS同时作用同时作用 3 3特性曲线特性曲线 3.1.1 N沟道增强型MOS 管-小结2u(1)uUUGS

9、DDOGSTHTHiI共69页第16页3.1.2 N沟道耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOS 管在制造时，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，即使在uGS=0时，这些正离子产生的电场已经在P型表面感应出较多的电子，形成了反型层。NNP型衬底SGD掺杂在绝缘层中的正离子N型沟道衬底引线N沟道耗尽型MOS 管电路符号中间的实线表示uGS为0时，也有导电沟道存在。共69页第17页NNP型衬底SGD掺杂在绝缘层中的正离子 N型沟道衬底引线3.1.2 N沟道耗尽型MOS管 uGS负到一定程度，即|uGS|达到一定程度时，uGS产生的电场完全抵消了正离子产生的感应电场，使反型层消失，iD为0，此时的栅源

10、电压称为夹断电压（Pinchoff Voltage），转移、输出特性曲线如图。可见N沟道耗尽型MOS 管可工作在uGS为0，为负或为正的情况下。PU共69页第18页3.1.2 N沟道耗尽型MOS管 uGS0时，作用到衬底表面的电场加强，沟道变宽，沟道电阻减小，在同样uDS下，iD增大。uGS0时，栅源电压削弱了正离子感应的电场，沟道变薄，沟道电阻增大，在同样uDS下，iD减小。NNP型衬底SGD掺杂在绝缘层中的正离子N型沟道衬底引线共69页第19页3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS MOS 管管3.1.2 N3.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS MOS 管管3.1 金属

11、金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管-小结小结共69页第20页3.2 结型场效应管结型场效应管主要内容：主要内容：3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理3.2.2 结型场效应管的电压电流特性结型场效应管的电压电流特性共69页第21页 源极源极(，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极()，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极(，用用G或或g表示表示符号符号符号符号 1结构结构 3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理 3.2 结型场效应管结型场效应管共69页第22页2工

12、作原理工作原理 栅、源间加负向电压(UGS 0),使沟道中的多子-电子在电场作用下由源极向漏极运动，形成iD,iD受uGS的控制。JFET的工作的工作原理主要是原理主要是uGS对iD的控制作用以及的控制作用以及uDS 对iD的影响。的影响。3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理JFET是利用G,S间反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽度，从而控制漏极电流的大小。共69页第23页1）uGS对对iD的控制作用：的控制作用：设uDS=0，uGS从0开始负向增大，两个PN结的耗尽层加宽，使导电沟道变窄，沟道电阻增大；当uGS进一步增大到某一值 时，两侧耗尽层在中

13、间夹断，漏、源间的电阻将趋于无穷大。0GSuGSPuUGSPuU3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理2工作原理工作原理 PU共69页第24页该栅源电压 ，为一负值，称为夹断电压（Pinchoff Voltage）。此时FET完全截止。可见改变栅源电压uGS，引起沟道电阻变化。若有一定的uDS，将iD随uGS得到改变，表现出uGS对iD的控制作用。3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理GSPuU共69页第25页 b)当uDS增加时，一方面沟道电场强度增加，有利于 iD增大；另一方面，有了uDS，就在源极经沟道至漏极组成的N型区域中，产

14、生了一个沿沟道的电位梯度；若源极电位为零，则漏极电位为uDS，因此，在从源极到漏极的不同位置上，栅极与沟道间的电位差是不同的，离源极越远，电位差越大，加到该处的反向电压也越大，耗尽层越宽,沟道从上到下宽度不同。此时，iD 随uDS的上升而增加，iD 和uDS之间表现为一个可变电阻。如图uGS=0 曲线的起始部分。2）uDS对对iD的影响的影响设uGS=0，a)当uDS=0时，iD=0;3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理共69页第26页 c）当uDS继续增加时，耗尽层在漏端首先夹断时，称为预夹断（沟道未全部夹断），此时在夹断点耗尽层两端的电压uGD数值上也为夹断

15、电压 。如特性曲线上的P点。当 uGS=0,uGD=-uDS=当 uGS0,uGD=uGS-uDS=3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理PUPUPU共69页第27页 c）预夹断后，uDS 增大，夹断长度增加，夹断处电场也增大，uDS仍能将电子拉过夹断区，形成漏电流。由于此时uDS主要降在夹断区上，从源极到夹断点的沟道上的电场基本不随uDS而改变，iD趋于饱和。如图中P点以后的部分。3.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理共69页第28页3）当当 uGS0,即栅源间接一负电源，且在负方向增大时，对相同的uDS，会使耗尽层更宽，iD变小，

16、特性如图。uGS=0,与uGSUp 或 uGS Up时，沟道全部夹断，iD=0，称为截至区或夹断区。3.2.2 结型场效应管的电压电流特性结型场效应管的电压电流特性共69页第34页b)转移特性转移特性 FET是压控器件，栅极基本没有输入电流，故讨论uGS与iG之间的输入特性没有意义。转移特性指恒流区，当uDS一定时，uGS对 iD的控制作用.它和输出特性一样，反映了FET工作的物理过程，故可直接从输出特性上用作图法求出。如下图。DSDGSuconst(u)if 改变uDS，可得一组转移特性，当uDS大于一定值后，不同uDS对应的转移特性非常接近，这是由于在恒流区iD几乎不随uDS而变。放大电路

17、中，FET一般工作在恒流区，且uDS总有一定数值，这时可认为转移特性重叠为一条曲线，使分析简化。3.2.2 结型场效应管的电压电流特性结型场效应管的电压电流特性共69页第35页在转移特性上立：在转移特性上立：2GSDDSSPGSP(1)(0)uiIUuU3.2.2 结型场效应管的电压电流特性结型场效应管的电压电流特性共69页第36页主要内容：主要内容：3.3.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数3.3.2 各种场效应管的特性比较各种场效应管的特性比较3.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数共69页第37页3.3.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数开启电压开启电压 ：对增强型：对增

18、强型MOSFET，指，指 一定时，使一定时，使 从无到有所需要的从无到有所需要的 。夹断电压夹断电压 ：对耗尽型对耗尽型MOSFET和结型和结型FET，指，指 一定时，使一定时，使 达到规定达到规定的微小数值所需要的的微小数值所需要的 饱和漏极电流IDSS：uGS=0时对应的漏极最大电流。低频跨导gm：低频跨导反映了uGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。按照定义：按照定义：DSDmGSUigu由于：由于：此式对此式对uGS求导得：求导得：2DDSS(1)(0)GSPGSPuiIUuU2(1)(0)GSDSSDPmPGSGSPuIiUgUuuU 3.3 场

19、效应管的主要参数场效应管的主要参数PUPU以以JFET为例：为例：THUDSuDiGSuDSuDiGSu共69页第38页3.3.1 场效应管的主要参数 输出电阻rds：是输出特性曲线上某点曲线斜率的倒数。当工作在线性放大区时，iD随uDS改变很小，因此rds的数值很大。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 最大漏源电压 最大栅源电压 最大漏极功耗PDM GSDSdsDuuri()BR GSU()BR DSU共69页第39页电路及电路及T的输出、转移特性如图。分析当的输出、转移特性如图。分析当uI4v、8v、12v三种情况下场效三种情况下场效应管分别工作在什么区域

20、，求电路输出电压。应管分别工作在什么区域，求电路输出电压。解：根据特性曲线解：根据特性曲线T的开启电压为的开启电压为5v，由电路图知：，由电路图知：uGSuI。当当uI4v时，时，uGS小于开启电压，故小于开启电压，故T截止。截止。iD=0,uo=VDDiDRd=12v。当当uI8v时，设时，设T工作在恒流区，根据输出特性可知工作在恒流区，根据输出特性可知iD0.6mA，管压降：，管压降：uDSVDDiDRd10v，uo=10v因此，因此，uGDuGSuDS2v，小于开启电压，出现预夹断，说明假设成立，小于开启电压，出现预夹断，说明假设成立，即即T工作在恒流区。工作在恒流区。当当uI12v时，

21、设时，设T工作在恒流区工作在恒流区,iD4mA,uDSuDDiDRd-1.2v uDS不可能为负，故不可能为负，故T工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。举 例DS623DSDuVRKImADSDDDSd4.5oRuVVRR共69页第40页绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型3.3.2 各种场效应管的特性比较 共69页第41页绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型3.3.2 各种场效应管的特性比较 共69页第42页 N沟道耗尽型P沟道耗尽型结型场效应管3.3.2 各种场效应管的特性比较 共69页第43页3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路 场效应管放大电路主要有三种基本形式：场

22、效应管放大电路主要有三种基本形式：共源极放大共源极放大(CS)共漏极放大共漏极放大(CD)共栅极放大共栅极放大(CG)静态：自偏压电路、分压式偏压电路静态：自偏压电路、分压式偏压电路 动态：小信号等效电路动态：小信号等效电路共69页第44页3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路 主要内容：3.4.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 1自偏压电路及其静态工作点计算自偏压电路及其静态工作点计算 2分压式偏压电路及其静态工作点计算分压式偏压电路及其静态工作点计算 3.4.2 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 3.4.3 场效应管放大电路的动态分析场效应

23、管放大电路的动态分析共69页第45页3.4.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析常见的直流偏置电路有自偏压和分压式偏压两种。1 1自偏压电路及静态工作点计算自偏压电路及静态工作点计算电路如图。共69页第46页3.4.1 场效应管放大电路的静态分析静态时：静态时：又对又对JFET，有：，有：联立求解以上两式，可得联立求解以上两式，可得 ,则：则：也可用和BJT类似的图解分析法，求得上述工作点。自偏压电路的缺点：只能为负值，不能用于 为0或为正的场合。GSQDQURI 2(1)(0)GSDQDSSPGSPUIIUUUDDd()DSQDQUVIRRDQGSQ,IUGSQUGSQU

24、共69页第47页2分压式偏压电路及其静态工作点计算分压式偏压电路及其静态工作点计算电路如图 3.4.1 场效应管放大电路的静态分析共69页第48页静态时：对N沟道增强型FET，有：联立求解以上两式，可得 ,则：也可用和BJT类似的图解分析法，求得上述工作点。1DD12gGSGSDggRUUUVI RRR3.4.1 场效应管放大电路的静态分析2(1)GSDDOGSTHTHUIIUUUDDd()DSDUVIRRDQGSQ,IU共69页第49页3.4.2 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 MOSMOS的低频小信号模型的低频小信号模型 以共源接法为例。则：令：1DDmdsGSDSiig

25、uur各微变量用交流变化量表示，有：对正弦信号可写成向量形式：输出等效电路方程(,)DGSDSif uu|DSGSDDDuGSuDSGSDSiididuduuu1dmgsdsdsig uur1dmgsdsdsIg UUr共69页第50页对输入回路，ugs和ig之间为一个电阻 ，则小信号等效模型如图。3.4.2 场效应管的低频小信号模型 1dmgsdsdsIg UUrgsr,gsdsrr很大时的简化模型共69页第51页gm的求解的求解以增强型以增强型MOS管为例。管为例。2DTHTH(1)DOGSGSiIUUUu22(1)DODGSDODGSmTHTHTHIiugiIUuUU2DODQmTHgI

26、IU3.4.2 场效应管的低频小信号模型 共69页第52页MOSMOS放大电路的分析放大电路的分析例1：共源JFET放大电路如图。求其电压增益，输入电阻和输出电阻。3.4.3 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析共69页第53页解：解：1)小信号等效电路（忽略rds）3.4.3 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析共69页第54页2)2)电压增益电压增益由输入回路：输出回路：电压增益:(1)igsmgsgsmUUg U RUg ROdmgsUg U R 1OmdUimUg RAUg R 3.4.3 场效应管放大电路的动态分析若源极并联旁路电容,则电压增益:dUm

27、Ag R 共69页第55页2)2)电压增益电压增益输入电阻:输出电阻：()(1)gsgsgsmgsiiggsgsgsgsmUUrg URURIUrrr gR 312312/(/)/iiggggggRRRRRRRRodRR3.4.3 场效应管放大电路的动态分析共69页第56页MOSMOS放大电路的分析放大电路的分析例1：基本共漏极放大电路如图。求其电压增益，输入电阻和输出电阻。3.4.3 场效应管放大电路的动态分析共69页第57页MOSMOS放大电路的分析放大电路的分析解：1）小信号等效电路3.4.3 场效应管放大电路的动态分析共69页第58页MOSMOS放大电路的分析放大电路的分析解：2）电压

28、增益输入电阻iR 输出电阻i0U igsmgsUUg U ROmgsUg U R1OmUimUg RAUg R3.4.3 场效应管放大电路的动态分析oomgsUIg UR由于:gsoUU o1()moIgURo11/1oommURRIggR共69页第59页例3：共漏极放大电路如图。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。3.4.3 场效应管放大电路的动态分析共69页第60页解：解：1）小信号等效电路（忽略rdS）3.4.3 场效应管放大电路的动态分析共69页第61页2）电压增益 1)/(g2g1g3iRRRR3)输入电阻4)输出电阻(/)1(/)igsmgsLgsmLUUg URRUgRR(/)

29、OmgsLUg URR(/)1(/)OmLUimLUgRRAUgRR11/1TOTmmURRIggRTTmgsUIg URgsTUU 3.4.3 场效应管放大电路的动态分析共69页第62页 3.4.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 3.4.2 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 3.4.3 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路-小结小结共69页第63页双极型晶体管双极型晶体管场效应晶体管场效应晶体管 结构结构NPNNPN型型PNPPNP型型C C与与E E不可倒置不可倒置使用使用结型结型(耗尽

30、型耗尽型)：N N沟道和沟道和P P沟道沟道缘缘栅型：缘缘栅型：N N沟道和沟道和P P沟道沟道D D与与S S有的型号可倒置有的型号可倒置载流子载流子多子扩散，少多子扩散，少子漂移子漂移多子多子输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制CCCS()uCCS(gm)3.5 场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较共69页第64页双极型晶体管双极型晶体管场效应晶体管场效应晶体管噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大受温度影响较小受温度影响较小输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电

31、影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模适宜大规模和超大规模集成集成3.5 场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较共69页第65页三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较 组态对应关系：CECSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：)/)(1()/()1(LebeLeRRrRRbeLc)/(rRRCE：CC：CB：)/(1)/(LmLmRRgRRg)/(LdmRRgCS：CD：CG：RgRgmdm1RerRR)1()/(beLc共69页第66页

32、三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较 输入电阻输入电阻beb/rR输出电阻：输出电阻：cR)/)(1(/LebebRRrR1)/(/bebserRRR1/beerRcRBJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRRm1/gR)/(g2g1g3RRRCE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR共69页第67页例例:放大电路如图所示。已知，ms 18mg，100，k 1ber试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻以及对信号源的电压增益。解解:1)画小信号等效电路共69页第68页2）求电压增益：3）输入和输出电阻 giRR M 5coRR k 20

33、4）信号源的电压增益由于：sgRR 在节点d:2igsmgsUUg U Rmgsbbbg UIIIObCmgsCUI Rg U R 21OmCuimUg RAUg R OOS128.6iiUSUUSisiUUURAAAUU URR 共69页第69页 总结总结:3.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 3.2 结型场效应管结型场效应管 3.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路 3.5 场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较场效应管和双极结型晶体管及其放大电路的比较第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路共69页第70页Homeworks:3.3，3.4 3.7,3.8,3.10,3.11