信号与系统第三章场效应管及其放大电路课件.ppt

1、第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3.1 场效应晶体管场效应晶体管 3.1.1 结型场效应管结型场效应管3.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管3.1.3 场效应管的参数场效应管的参数3.2场效应管工作状态分析及其偏置电路场效应管工作状态分析及其偏置电路3.2.1场效应管的工作状态分析场效应管的工作状态分析3.2.2 场效应管的偏置电路场效应管的偏置电路3.3场效应管放大电路场效应管放大电路3.3.1 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型3.3.2 共源放大电路共源放大电路3.3.3 共漏放大电路共漏放大电路场效应晶体管（场效应管）：场效应晶体管（场效应管）：只

2、有一种载流子（多子）起运载电流的作用只有一种载流子（多子）起运载电流的作用。也称作也称作单极型晶体管单极型晶体管。双极型晶体管双极型晶体管：多子与少子同时参加导电多子与少子同时参加导电。3.1 场效应晶体管场效应晶体管 场效应管的优点：场效应管的优点：P70 场效应管场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管结型场效应管JFET(Junction FET)绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管IGFET(Insulated Gate FET)场效应管的分类：场效应管的分类：3.1.1 结型场效应管（结型场效应管（JFET）N型型沟沟道道PPDGSGate栅极栅极Sour

3、ce源极源极Drain 漏极漏极1）P区重掺杂。区重掺杂。2）源极和漏极可以互换。）源极和漏极可以互换。结型场效应管的结构：结型场效应管的结构：注意：注意：DSG箭头方向表示栅箭头方向表示栅源间源间PN结若加结若加正向偏置电压时正向偏置电压时栅极电流的实际栅极电流的实际流动方向流动方向主要以主要以N沟道结型场效应管为例讲解。沟道结型场效应管为例讲解。P型型沟沟道道NNDGSDSGP沟道沟道JFET的结构示意图和表示符号：的结构示意图和表示符号：结型场效应管的工作原理：结型场效应管的工作原理：)u,u(fiDSGSD N型型沟沟道道PPDGS注意：注意：需在栅极和源极之间加上需在栅极和源极之间加

4、上负的电压负的电压UGS，在漏极和源极之间加上在漏极和源极之间加上正的电压正的电压UDS。0iG NDGSPP(a)UGS=0，导电沟道最宽，导电沟道最宽栅源电压栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图：对沟道的控制作用示意图：(b)UGS负压增大，沟道变窄负压增大，沟道变窄DSPPUGS(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断负压进一步增大，沟道夹断DSPPUGSUGSoff夹断电压夹断电压此时漏极电流此时漏极电流ID0。关于栅源电压的控制作用关于栅源电压的控制作用JFET沟道电阻的大小受其栅源电压的控制，沟道电阻的大小受其栅源电压的控制，可以看成是一个电压控制的可变电阻器。可以看成是一个电压控制的

5、可变电阻器。DGSUDSUGSIDPP 0沟道预夹断沟道预夹断DGS(a)预夹断前预夹断前UDSID 0UGSPPUDS对导电沟道的影响：对导电沟道的影响：b)预夹断时预夹断时思考：思考：预夹断时预夹断时UGS、UGD 满足什么条件？满足什么条件？预夹断前：预夹断前：ID随着随着UDS的增加而增加的增加而增加，大体呈线性上升关系，大体呈线性上升关系，沟道等效为一个线性电阻。沟道等效为一个线性电阻。预夹断后：预夹断后：夹断区是高阻区，尽管夹断区是高阻区，尽管UDS增大，但其增大的电增大，但其增大的电压基本上都落在夹断区上，沟道两端的压降几乎不压基本上都落在夹断区上，沟道两端的压降几乎不变，变，使

6、使ID几乎不变，几乎不变，表现出表现出ID的恒流作用。的恒流作用。完全夹断后：完全夹断后：ID=0。图图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可可变变电电阻阻区区恒恒截止区截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流流区区击击穿穿区区UGS0VUGSoff0.5VN沟道沟道JFET的输出特性曲线：的输出特性曲线：CuDSDGSufi 2.恒流区恒流区预夹断后所对应的区域。预夹断后所对应的区域。uGSoff uGS0且且 uGDuGSoff 1.可变电阻区可变电阻区预夹断前所对应的区域。预

7、夹断前所对应的区域。uGSoff uGS0且且 uGD uGSoff。3.击穿区击穿区uDS增大，增大，uDG也随之增大，过大时也随之增大，过大时PN结在靠近结在靠近漏极处发生击穿。漏极处发生击穿。4.截止区截止区当当uGS uGSoff时，沟道被全部夹断时，沟道被全部夹断。iD=0uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)JFET的转移特性曲线的转移特性曲线为保证场效应管正常为保证场效应管正常工作，结型场效应管工作，结型场效应管的栅源间必须加反向的栅源间必须加反向电压。电压。（2）转移特性曲线）转移特性曲线CuGSDDS)u(fi 两个重要参数：两个重要参数：IDSS：

8、饱和电流；饱和电流；表示表示uGS=0时的时的iD值；值；UGSoff：夹断电压夹断电压uGS=UGSoff时时iD为零。为零。恒流区中：恒流区中：2GSoffGSDSSD)Uu1(Ii 3.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其输栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其输入阻抗比入阻抗比JFET的反偏的反偏PN结的阻抗更大。功耗结的阻抗更大。功耗低，集成度高。低，集成度高。IGFET也称为也称为MOSFET。Oxide Semiconductor Field Effect Transistor金属金属氧化物氧化物半导体场效应管半导体场效应管绝缘

9、体一般为二氧化硅（绝缘体一般为二氧化硅（SiO2）。）。MOSFETN沟道沟道P沟道沟道N沟道增强型沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETP沟道增强型沟道增强型MOSFETP沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET分类分类:一、一、N沟道增强型沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)源极源极栅极栅极漏极漏极氧化层氧化层(SiO2)BWP型衬底型衬底NNL耗耗尽尽层层A1层层SGD(a)立体图立体图(b)剖面图剖面图SGDNNP型硅衬底型硅衬底绝缘层绝缘层(SiO2)衬底引线衬底引线 B半导体半导体金属电极金属电极DGSB(c)电路符号电路符号U UGSGS=

10、0 0，源极与漏极间导电沟道未形成，源极与漏极间导电沟道未形成N NN NP P型衬底型衬底D DS SG G工作原理：工作原理：加在栅极和衬底之间加在栅极和衬底之间的正电压将产生一个的正电压将产生一个电场，这个电场将排电场，这个电场将排斥紧靠绝缘层表面的斥紧靠绝缘层表面的空穴，而把电子吸引空穴，而把电子吸引到绝缘层表面。当自到绝缘层表面。当自由电子的浓度大于空由电子的浓度大于空穴浓度后，穴浓度后，这一薄层这一薄层将由将由P型转变成型转变成N型，型，通常称这一薄层为反通常称这一薄层为反型层，它将在两个型层，它将在两个N+区之间形成一个电子区之间形成一个电子导电沟道。导电沟道。UGS0,UDS=

11、0N导电沟道（反型层）导电沟道（反型层）P型衬底型衬底UGSNB定义开启电压：定义开启电压：UGSth当当 UGS UGSth，导电沟道已形成导电沟道已形成.当当UGSUGSth，导电沟道未形成导电沟道未形成 沟道形成后，如果让沟道形成后，如果让uDS加上正电压，源极的自由加上正电压，源极的自由电子将沿着沟道到达漏极，形成漏极电流电子将沿着沟道到达漏极，形成漏极电流iD。uDS增大，沟道预夹断时情况增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底型衬底UGSN+N+预夹断预夹断uDS增大，沟道预夹断后情况增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底型衬底UGSN+N+2.N沟道增强型沟道增强型MOSFET管的

12、转移特性曲线管的转移特性曲线(1)当当uGSUGSth时，时，iD 0，二者符合平方律关系。二者符合平方律关系。UGSth0UGS为正值。为正值。uDS为正值。为正值。3.N沟道增强型沟道增强型MOSFET管的输出特性曲线管的输出特性曲线iD0uDSUGS6V截止区截止区4V3V2V5V可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区区区穿穿击击GSthGSDSUuu(1)可变电阻区可变电阻区预夹断前所对应的区域。预夹断前所对应的区域。uGSUGSthuGDUGSth(2)恒流区恒流区预夹断后所对应的区域。预夹断后所对应的区域。uGSUGSthuGD UGSth(4)截止区截止区uGSUGSth导电沟道未形成

13、，导电沟道未形成，iD=0。(3)击穿区击穿区uDS UBR(DSO)时，进入击穿区。时，进入击穿区。2GSthGSD)Uu(LWki 恒流区中：恒流区中：其中：其中：W为沟道宽度；为沟道宽度；L为沟道长度；为沟道长度；k是与是与MOSFET的类型、结构有关的制造参数的类型、结构有关的制造参数。2CkOXn COX：栅极绝缘层沟道形成的：栅极绝缘层沟道形成的MOS电容电容 （每单位面积的电容量）（每单位面积的电容量）n：电子迁移率（单位电场作用下电子的平均速度）：电子迁移率（单位电场作用下电子的平均速度）uDSiD0UGS 1UA或或 厄尔利电压厄尔利电压:沟道调制系数沟道调制系数二、二、N沟

14、道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET(Depletion NMOSFET)N沟耗尽型沟耗尽型MOSFET的结构与的结构与N沟增加型沟增加型MOSFET的结构相似，所不同的只是在制造器的结构相似，所不同的只是在制造器件时已在源区和漏区之间做成了件时已在源区和漏区之间做成了N型沟道。型沟道。BN导电沟道导电沟道（反型层）（反型层）P型衬底型衬底NUGS=0，导电沟道已形成导电沟道已形成例如：在栅极下面的绝缘层中掺入了大量碱金属正离例如：在栅极下面的绝缘层中掺入了大量碱金属正离子，形成许多正电中心，即使子，形成许多正电中心，即使uGS=0，由于正离子的存，由于正离子的存在仍能产生垂直电场，形成导电沟道。

15、在仍能产生垂直电场，形成导电沟道。iDuGSUGSoff0(a)ID0图图310N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的特性及符号管的特性及符号(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)表示符号表示符号(c)DGSBuGS可正可负。可正可负。图图310N310N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的特性及符号管的特性及符号(a)(a)转移特性；转移特性；(b)(b)输出特性；输出特性；(c)(c)表示符号表示符号1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3V2)1(GSoffGSDSSDUuIi式中：式中：IDSS饱和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的

16、iD值；值；UGSoff夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGSoff时时iD为为零。零。恒流区中：恒流区中：可见：公式形式与结型场效应管相同。可见：公式形式与结型场效应管相同。场效应管的场效应管的类型：类型：场效应管场效应管FET结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管IGFET或或MOSFET增强型增强型MOSFET耗尽型耗尽型MOSFET另外：每一种场效应管又有另外：每一种场效应管又有N沟道和沟道和P沟道之分。沟道之分。小结：各种场效应管的符号与特性小结：各种场效应管的符号与特性各种场效应管的符号：各种场效应管的符号：DGSDGSN沟道沟道P沟道沟道JFET图示：各

17、种场效应管的符号对比图示：各种场效应管的符号对比1图示：各种场效应管的符号对比图示：各种场效应管的符号对比2 2恒流区，栅源电压恒流区，栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用：的控制作用：2)1(GSoffGSDSSDUuIiJFET或或耗尽型耗尽型MOSFET：2)(GSthGSDUuLWki增强型增强型MOS管：管：iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型结型P沟沟耗尽型耗尽型P沟沟增强型增强型P沟沟MOS耗尽型耗尽型N沟沟增强型增强型N沟沟MOS结型结型N沟沟图示：各种场效应管的转移特性对比图示：各种场效应管的转移特性对比N沟道：沟道：0DiP沟道：沟道：0Di图示：各种场效应管的输出特性对比图示：各种场效应管的输出特性对比uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区012345601231233456789结型结型P 沟沟耗尽型耗尽型MOS P沟沟345601201231233456789结型结型N沟沟耗尽型耗尽型 增强型增强型MOS N沟沟UGS/VUGS/V增强型增强型N沟道：沟道：0DiP沟道：沟道：0Di