第3章场效应晶体管和基本放大电路课件.ppt

1、思考：思考：3-1习题：习题：3-3、3-4、3-7、3-11理解场效应管的工作原理；理解场效应管的工作原理；掌握掌握场效应管的外特性及主要参数；场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。）的分析方法。通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。N沟道结构示意图沟道结构示意图SiO2N源极源极S栅极栅极G漏极漏极D NNPP

2、将它们连接在一起引出电极栅极G。N型半导体分别引出漏极D、源极S。P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。N沟道符号沟道符号dsgdsgP沟道符号沟道符号结型场效应管有结型场效应管有N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型两种类型。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图 若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。这样既保证了栅-源之间的电阻很高，又实现了UGS对沟道电流ID的控制。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导

3、电沟道结构示意图结构示意图正常工作时：正常工作时：在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）当UGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。随|UGS|增大，耗尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。|UGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。|UGS|增加到某一数值，耗尽层闭和，沟道增加到某一数值，耗尽层闭和，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时UGS的的值为值为 dsgUDSID 当当 UDS=0时，虽有导时，虽有导电沟道，但电沟道，但ID为为零。零。当当UDS 0时时，产生，产生ID，但但，近，近漏

4、漏极电压最大，近源极电极电压最大，近源极电压最小。压最小。导电沟道宽度不再相导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。源极沟道宽。dsgUDSID 随着UDS增加，栅-漏电压|UGD|增加，近漏端沟道进一步变窄。只要漏极附近的耗尽区不出现相接，随着UDS 的增加，ID线性增加。UDSdsgAID 随着UDS增加，当UGD=UGS-UDS=UGS（off）时,靠近漏极出现夹断点。称UDSdsgAID 预夹断之后，UDS 再增加，预夹断延伸,夹断区长度增加（AA）。夹断区的阻力增大。此时的此时的ID称为称为“饱和漏极电饱和漏极电流流IDSS”A UGS 增加，使导电沟道

5、变窄，、间的正电压使沟道不等宽。dsgUDSUGSID。此时可以把。此时可以把ID近近似看成似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。dsgUDSUGSID（未出现夹断前），对于不（未出现夹断前），对于不同的同的UGS，漏源之间等效成不同阻值的电阻，漏源之间等效成不同阻值的电阻，ID随随UDS 的增加的增加 线性线性增加增加。（。（）。ID几乎只决定于几乎只决定于UGS，而而与与UDS 无关，可以把无关，可以把ID近似看成近似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。（）（输出特性和转移特性）ID=f(UDS)UGS =常数常数（因场效应管栅极电流几乎（因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。）

6、为零，不讨论输入特性。）IDUDS（预夹断轨迹：通过连接（预夹断轨迹：通过连接各曲线上各曲线上UGD=UGS（off）的的点而成。）点而成。）IDUDSIDUDS 导电沟道全部夹断。导电沟道全部夹断。条件：条件：UGS UGS（off）特点：特点：ID 0 UDS增加到一定程度，电流增加到一定程度，电流急剧增大。急剧增大。IDUDSID=f(uGS)UDS =常数常数 由半导体物理分析可得恒由半导体物理分析可得恒流区流区ID近似表达式为：近似表达式为：2)()1(offGSGSDSSDUuII30123 UGS/VUGS(off)ID/mA4IDSS12 （管子工作在可变电阻区（管子工作在可变

7、电阻区时，不同的时，不同的uDS，转移特性转移特性曲线有很大差别。）曲线有很大差别。）30123 UGS/VUGS(off)ID/mA4IDSS12432104812UGS=0V3V4V输出特性输出特性转移特性转移特性123 1V20123 uGS/VUGs(off)uDS/ViD/mAiD/mA44栅栅-源电压为零时无导电沟道的管子称为源电压为零时无导电沟道的管子称为增强型。增强型。栅栅-源电压为零时已建立导电沟道的管子称为源电压为零时已建立导电沟道的管子称为耗尽型。耗尽型。N沟道（沟道（N MOS）增强型增强型 耗尽型耗尽型 P沟道（沟道（P MOS）增强型增强型 耗尽型耗尽型 绝缘栅型场

8、效应管采用绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为金属铝，又称为MOS管。管。通常通常衬底和源极连接衬底和源极连接在一起使用。在一起使用。P型硅衬底型硅衬底源极源极S 栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+SiO2 栅极和衬底各相当于栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘一个极板，中间是绝缘层，形成电容。层，形成电容。栅栅-源电压改变时，将源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号P衬底衬底BN+N+S

9、GD D与与S之间是两个之间是两个PN结结反向串联，无论反向串联，无论D与与S之之间加什么极性的电压，间加什么极性的电压，ID=0。P耗尽层耗尽层衬底衬底BN+N+SGD 由于绝缘层由于绝缘层SiO2的存的存在，栅极电流为零。栅极在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，金属层将聚集大量正电荷，排斥排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2的的空穴，形成耗尽层。空穴，形成耗尽层。P衬底衬底BN+N+SGD反型层反型层。耗尽层增宽耗尽层增宽,将衬底的自由将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成之间。形成N型薄层，称为型薄层，称为反型层。这个反型层就构成反型层。这个反型层

10、就构成了漏源之间的导电沟道。了漏源之间的导电沟道。UGS越大，反型层越厚，越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。导电沟道电阻越小。将产生一定的漏极将产生一定的漏极电流电流ID。沟道中各点沟道中各点对栅极电压不再相等，对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相导电沟道宽度不再相等，沿源等，沿源-漏方向逐渐漏方向逐渐变窄。变窄。ID随着的随着的增加而线增加而线性增大。性增大。P衬底衬底BN+N+SGDP衬底衬底BN+N+SGD 随着随着UDS的增大，的增大，UGD减小，减小，当当UDS增大到增大到UGD 时时，导电沟道在漏极一端产生夹断，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为称为。P衬底衬底BN+N+SGD

11、若若UDS继续增大，夹断区继续增大，夹断区延长。漏电流延长。漏电流ID几乎不变化，几乎不变化，管子进入恒流区。管子进入恒流区。ID几乎仅几乎仅仅决定于仅决定于UGS。此时可以把此时可以把。恒流区恒流区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS/VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/VID/mA夹断区夹断区2)()1(thGSGSDODUUIIUDS=10V0123246UGS/VUGs(th)ID/mA 制造时制造时,在在sio2绝缘层中掺入绝缘层中掺入大量的正离子大量的正离子,即使即使UGS

12、=0=0，在在正离子的作用下，源正离子的作用下，源-漏之间也漏之间也存在导电沟道。只要加正向存在导电沟道。只要加正向 ，就会产生就会产生ID。结构示意图结构示意图P源极源极S漏极漏极D 栅极栅极GBN+N+正离子正离子反型层反型层SiO2 只有当只有当小于某一值时，才会小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的使导电沟道消失，此时的称为称为夹断电压夹断电压 。dN沟道符号沟道符号BsgP沟道符号沟道符号dBsgDBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号耗尽型耗尽型MOS管管符号符号增强型增强型MOS管管符号符号432104812UGS=1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性123

13、0V101 2123 UGS/V ID UGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mANMOS耗尽型PMOS耗尽型场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性NMOS增强型PMOS增强型场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性P沟道结型N沟道结型场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性 测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号管号UGS(th)/VUS/VUG/V UD/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区恒流区截止区截止区可变电阻区可变电阻区 UDS为固定值能

14、产生漏极电流为固定值能产生漏极电流ID所需的栅所需的栅-源电压源电压UGS的的最小值最小值,它是它是增强型增强型MOS管的参数管的参数。（。（NMOS管管为正，为正，PMOS管为负）管为负）UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源源电压。是电压。是结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管管的参数（的参数（NMOS管为负，管为负，PMOS管为正）。管为正）。栅栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为一般为107-1010左右。左右。对于对于耗尽型耗尽型MOS管管,在在UGS=0情况下产生情况下产生 预夹断时

15、预夹断时的漏极电流。的漏极电流。gm=iD/uGS UDS=常数常数 gm是衡量栅是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。个重要参数。管子工作在恒流区并且管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比源电压的微变量之比称为低频跨导称为低频跨导,即即 rds反映了反映了UDS对对ID的影响，是输出特性曲线上的影响，是输出特性曲线上Q点处点处切线斜率的倒数切线斜率的倒数 rds在在恒流区很大。恒流区很大。常数GSUDDSdsiur管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工

16、作时漏极电流的上限值。管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏称为漏-源击穿电压。源击穿电压。对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的的UGS称为栅称为栅-源击穿电压。源击穿电压。对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅称为栅-源击穿电压。源击穿电压。PDM决定于管子允许的温升。决定于管子允许的温升。1.场效应管场效应管利用栅源电压控制漏极电流，利用栅源电压控制漏极电流，是电是电压控制元件压控制元件，栅极基本不取电流（很小），栅极基本不取电流（很小），输入，

17、输入回路电阻很大回路电阻很大；晶体管晶体管利用基极电流控制集电利用基极电流控制集电极电流，极电流，是电流控制元件是电流控制元件，基极索取一定电流，基极索取一定电流，输入阻抗较小输入阻抗较小。场效应管的栅极场效应管的栅极g g、源极源极s s、漏极漏极d d对应于晶体对应于晶体管的基极管的基极b b、发射极、发射极e e、集电极集电极c c，能实现对信号能实现对信号的控制。的控制。2.晶体管的放大倍数通常比场效应管大。3.场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4.场效应管比晶体管噪声系数小。5.场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化

18、不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。6.场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.MOS管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8.场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。能实现对信号的控制；三种组态相对应；分析方法相同。为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；而对BJT则加适当的偏流。场效应管放大电路也必须建立合适的静态工作点，保证有输入信号时工作在恒流区。此电路形式只适用此电路形式只适用于耗尽型于耗尽

19、型MOSMOS器件。器件。静态时静态时RG的电流近的电流近似为零，靠源极电阻似为零，靠源极电阻上的电压为栅上的电压为栅-源提供源提供一个负偏压。一个负偏压。（栅极电流为栅极电流为0）2)()1(offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU)(sDDQDDDSQRRIVU（耗尽型（耗尽型MOS管管的电流方程）的电流方程）电路结构电路结构直流通路直流通路sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU2122)()1(thGSGSDODQUUII（栅极电流为（栅极电流为0）IDQ UGSQ)(SDDQDDDSQRRIVU（增强型（增强型MOS管管的电流方程）的电流方程）求静态静

20、态工作点作5.0，1场效应管的,18,30,2,10,47,2图示电路中，:例）（21mAIVUVVkRkRMRkRMRDSSoffGSDDDSGGG22)()11(5.0)1(GSQoffGSGSQDSSDQUUUIIsDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212解：解：（求静态，（求静态，电容开路）电容开路）。DQGSQGSQDQIUUI24.0)1(5.02VUVUmAImAIDSGSQDQDQ1.822.031.0所以)64.095.0(（本例（本例IDQ不应大于不应大于IDSS)(,)DGSDSif uuDSUDSDGSUGSDDuuiuuiiGSDSddd求全微分求全微分

21、与分析晶体管的h参数等效模型相同，将场效应管也看成两端口网络。11DSGSDmGSUDDSdsUdmgsdsdsiguiurIg UUr令低频小信号模型是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十几百千欧之间。通常 rds可视为开路。dsdsgsmdUrUgI1。sdg.UgsgmUgsmDO DQGS(th)2gIIUDQDSSoffGSmIIUg)(2耗尽型（结型）：耗尽型（结型）：增强型：增强型：Q点不仅影响电路是否失点不仅影响电路是否失真真,还影响动态参数。还影响动态参数。微变等效电路微变等效电路/OdLuigsmgs

22、LmLgsLDLUI RAUUg U Rg RURRR GiRR DoRR 例33图3-14电路中令CS和RL开路，.1,10,2,2,100,30021mSgkRkRMRkRkRmDSGGG计算u、Ri和Ro图3-14解：先画出微变等效电路解：先画出微变等效电路12/2.075iGGGRRRRMkRRDo10共源电路的电压增益比共射共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大。电路小，输入电阻大。3.31gsOmDugsigsmSmDmDUg URAUUg URg Rg R 微变等效电路微变等效电路/1mgsLouigsmgsLmLLLSmLg URUAUUg URg RRRRg R（）21/

23、GGGiiiRRRIUR(,(,源极跟随器源极跟随器)1uA（断开负载，输入信号短路，输出端加电压，求输出电流。)共漏极输出共漏极输出电阻较小。电阻较小。11/1ooSmmoSURRggIRoR1()gsooomgsomSSUUUIg UUgRR 例3图示电路，其中VUmAIkRkRMRkRkRoffGSDSSLSGGG45,2,2,5,10,9121）（，场效应管的1)求静态工作点IDQ和UGSQ2)计算u、Ri和Ro解:1)求静态参数：DQSDQDDGGGSQGQGSQGSQoffGSGSQDSSDQIRIVRRRUUUUUUII21)41(5)1(21222)(1212()1.434.3

24、71 2 1.431.86(1 2 4.37)7.74()DQDQGSQGSQGS offImAImAUVUVU ，（）舍去把IDQ的表达式代入gm表达式可求出：mSUUUIgoffGSGSQoffGSDSSm34.1)1(2)()(1/543oSmRRg1.3411 1.340.57mLumLg RAg R12/5iGGGRRRRk共源电路共源电路 共漏电路共漏电路 共栅电路共栅电路（以（以N沟道结型场效应管为例）沟道结型场效应管为例）场效应管的三种基本接法共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间的大小和相位关系一致。可以实现反相电压放大、电压跟随、电流跟随的功能。1.已知场效应管的三个电极电位，会判断管子工作在何种状态。2.共源、共漏基本放大电路的静态分析计算与动态（Au、Ri、Ro)分析计算。