第三章场效应管及其基本放大电路课件.ppt

1、第第3章章 场效应管及其基本场效应管及其基本放大电路放大电路内容导航内容导航3.0 教学基本要求教学基本要求 3.1 结型场效应管结型场效应管 3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管3.3 场效应管的主要参数、场效应管的主要参数、特点及使用注意事项特点及使用注意事项3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路教学基本要求教学基本要求掌握掌握:单极型半导体三极管的外特性；共源、单极型半导体三极管的外特性；共源、共漏放大电路的工作原理，静态工作共漏放大电路的工作原理，静态工作点估算及用简化小信号模型电路分析点估算及用简化小信号模型电路分析电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电压放大倍数、输入电阻、

2、输出电阻。熟悉熟悉:单极型半导体三极管的工作原理，主单极型半导体三极管的工作原理，主要参数及使用方法；共源、共漏放大要参数及使用方法；共源、共漏放大电路的主要特点和用途。电路的主要特点和用途。3.1 结型场效应管结型场效应管 场效应管场效应管是一种由输入信号电压来控制其电流是一种由输入信号电压来控制其电流大小的半导体三极管，所以是大小的半导体三极管，所以是电压控制器件电压控制器件。场效应管的分类场效应管的分类根据结构不同分类：根据结构不同分类：结型场效应管和绝缘栅场效应管结型场效应管和绝缘栅场效应管场效应管场效应管：结型N沟道P沟道 MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型场效应管的特点：

3、场效应管的特点：1.输入端基本上不取电流，一次输入电阻非常高，输入端基本上不取电流，一次输入电阻非常高，一般可一般可达达1081015；2.具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。3.3.场效应管都场效应管都是仅由一种载流子（多数载流子）参与导电是仅由一种载流子（多数载流子）参与导电的半导体器件，故又称为单极型三极管。从参与导电的的半导体器件，故又称为单极型三极管。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的载流子来划分，它有电子作为载流子的N

4、N沟道器件和空穴沟道器件和空穴作为载流子的作为载流子的P P沟道器件。沟道器件。3.1.13.1.1结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）的结构）的结构 结型场效应管结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在来控制漏极电流的大小的器件。它是在N N型半导体硅片的两侧型半导体硅片的两侧各制造一个各制造一个PNPN结，形成两个结，形成两个PNPN结夹着一个结夹着一个N N型沟道的结构。型沟道的结构。P P区区即为栅极即为栅极g(G)g(G)，N N型硅的一端是漏极型硅的一端是漏极d(D)d(D)，另一端是源极，

5、另一端是源极s(S)s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。3.1.23.1.2 JFET JFET的工作原理和特性曲线的工作原理和特性曲线 N N沟道场效应管工作时，沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电，在栅极与源极之间加负电，栅极与沟道之间的栅极与沟道之间的PNPN结为反偏。结为反偏。在漏极、源极之间在漏极、源极之间加一定正电压，使加一定正电压，使N N沟道中的多数载流子沟道中的多数载流子(电子电子)由源由源极向漏极漂移，形成极向漏极漂移，形成i iD D。i iD D的大小受的大小受u uGSGS的控制。的控制。P沟道场效应管工作沟道场效应管工作时，极性相反，沟道时，极

6、性相反，沟道中的多子为空穴中的多子为空穴PN结结N沟道沟道当当uGS0时，时，PN结反结反偏，耗尽层变厚，沟道变偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，窄，沟道电阻变大，iD减减小；小；uGS更负，沟道更窄，更负，沟道更窄，iD更小；直至沟道被耗尽更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹层全部覆盖，沟道被夹断，断，iD0。这时所对应。这时所对应的栅源电压的栅源电压uGS称为夹断称为夹断电压电压UGS(off)。一一GS对导电沟道的影响对导电沟道的影响二、二、u uDSDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 在栅源间加电压uGSUGS(off)，漏源间加电压uDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为u

7、GD=uGS-uDS，比源端耗尽层所受的反偏电压uGS大,使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故uDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。随uDS增大，这种不均匀性越明显。当uDS增加到使uGD=uGS-uDS=UGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断点，当当uDS继续增加时，预夹继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断点向源极方向伸长为预夹断区断区。由于预夹断区电阻很由于预夹断区电阻很大，使主要大，使主要uDS降落在该区，降落在该区，由此产生的强电场力能把未由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极流子都扫至漏极，形成漏极饱和

8、电流饱和电流。JFET伏安特性曲线伏安特性曲线 一般情况下一般情况下，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此UDS的的增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，可以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，所以可近似认为所以可近似认为D是不随是不随UDS而变化的恒值。而变化的恒值。CUDSDGSufi)(根据管子的工作状态，根据管子的工作状态，可将输出特性曲线族分为可将输出特性曲线族分为四个区域：四个区域：uuiuui（1）可变电阻

9、区）可变电阻区 是是u uDSDS较小，管子尚未预夹断时较小，管子尚未预夹断时的工作区域。虚线为不同的工作区域。虚线为不同u uGSGS是预夹是预夹断点的轨迹，故断点的轨迹，故虚线虚线上各点上各点u uGDGD=U=UGS(off)GS(off)，则虚线上各点对应的，则虚线上各点对应的u uDSDS=u=uGSGS-U-UGS(off)GS(off)。2、改变、改变uGS时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间可以看成一个由可以看成一个由uGS控制的线性电阻，即压控电阻。控制的线性电阻，即压控电阻。uGS愈负愈负,特特性曲线斜率愈小性曲线斜率愈小

10、,等效电阻愈大。等效电阻愈大。特点：特点：1、iD几乎与几乎与uDS成线性关系，管子相当于线性电阻。成线性关系，管子相当于线性电阻。uui（2）恒流区（饱和区）恒流区（饱和区）特性曲线近似水平的部分，特性曲线近似水平的部分，它是它是JFETJFET预夹断后所对应的工预夹断后所对应的工作区域。作区域。特点特点：1、输出电流、输出电流i iD D 基本上不受输出电压基本上不受输出电压u uDSDS的影响，仅取决于的影响，仅取决于u uGSGS，故特性曲线是一族近乎平行于故特性曲线是一族近乎平行于u uDSDS轴的水平线轴的水平线。2、输入电压、输入电压uGS控制输出电流控制输出电流2)(1 UuI

11、ioffGSGSDSSDuui（3）击穿区）击穿区 特性曲线上翘部分。特性曲线上翘部分。uDSU(BR)DS，管子，管子不允许不允许工作在工作在这个区域。这个区域。（4）夹断区（截止区）夹断区（截止区）输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在uGS UGS（off）时，管子的导电沟道完全被夹断。时，管子的导电沟道完全被夹断。特点：特点：iD0 三、转移特性曲线三、转移特性曲线 指指JFET漏源电压漏源电压uDS一定时，输出电流一定时，输出电流iD与输入电压与输入电压uGS的的关系曲线，即关系曲线，即CuGSDDSufi)(下图为一条下图为一条u uDSDS=

12、10V=10V时的转移特性曲线时的转移特性曲线当管子工作在恒流区，当管子工作在恒流区，uDS对对iD的影响很小。的影响很小。IDSS是在是在uGS=0，uDS|UGS(off)|时的漏极电流时的漏极电流2)()-1(offGSGSDSSDUuIi 实验证明实验证明，当管子工作在恒流区，当管子工作在恒流区，iD可近似表示可近似表示为：为：PPGSDSSmUUuIg 12 场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3

13、DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。3.2 3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管又称金属氧化物场效应管场效应管又称金属氧化物场效应管 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称，简称MOS管是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少管是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间

14、是绝缘的，其电阻大于之间是绝缘的，其电阻大于109.它也有它也有N沟道沟道和和P沟道沟道两种，两种，其中每类又分为其中每类又分为增强型增强型和和耗尽型耗尽型两种。两种。增强型：增强型：uGS=0时，漏源之间没有导电沟道，时，漏源之间没有导电沟道，在在uDS作用下无作用下无iD。耗尽型耗尽型：u uGSGS=0=0时，漏源之间有导电沟道，时，漏源之间有导电沟道，在在u uDSDS作用下有作用下有i iD D。3.2.13.2.1 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET一、结构和符号一、结构和符号 N沟道增强型沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称，是在一拓扑结构左右对称，是在一块浓度

15、较低的块浓度较低的P型硅上生成一层型硅上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区型区引出电引出电极作为极作为D和和S，在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为极作为G。二、工作原理与特性曲线二、工作原理与特性曲线(a)uGS=0时，漏源之间相当两个背时，漏源之间相当两个背靠背的靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上之间加上电压，不管电压，不管VDS极性如何，其中总极性如何，其中总有一个有一个PN结反向，所以不存在导电结反向，所以不存在导电沟道。沟道。uGS=0，iD=0(

16、b)当当 0uGSUGS(th)(开启电压开启电压)时时，但由于电场强度有限，但由于电场强度有限，数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能不可能形成漏极电流形成漏极电流iD。(c)进一步增加uGS，当uGSUGS(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时uDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着uGS的继续增加，反型层变厚，iD增加 把把开始形成反型层的开始形成反型层的uGS值值称为该管

17、的称为该管的开启电开启电压压UGS(th)。UDS 这时，若在漏源间加电压 uDS，就能产生漏极电流 iD，即管子开启。uGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 uDS 电压作用下，i D 越大。这样，就实现了输入电压 uGS 对输出电流 i D 的控制。把把开始形成反型层的开始形成反型层的uGS值值称为该管的称为该管的开启电开启电压压UGS(th)。UDS 这时，若在漏源间加电压 uDS，就能产生漏极电流 iD，即管子开启。uGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 uDS 电压作用下，i D 越大。这样，就实现了输入电压 uGS 对输出电流 i D 的控制。N N

18、沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET特性曲线特性曲线输出特性输出特性转移特性曲线转移特性曲线值值时时的的是是在在恒恒流流区区，DGGSDthGSGSDDiuIUuIiS(th)02)(0U2)1-(Uuuuuuuuiuui3.2.23.2.2 N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构的结构和符号如图所示，制造时在栅极和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当属正离子。所以当uGS=0时，这时，这些正离子已经在感应出反型层，些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是在

19、漏源之间形成了沟道。于是只只要有漏源电压，就有漏极电流存要有漏源电压，就有漏极电流存在。在。无须加开启电压（无须加开启电压（uGS=0）。）。当当u uGSGS0 0 时，将使时，将使i iD D进一步增加。进一步增加。u uGSGS0 0时，随着时，随着u uGS GS 的减小的减小i iD D 逐渐减小，直至逐渐减小，直至 i iD D=0=0。对应。对应i iD D=0=0 的的 u uGSGS 值为夹值为夹断电压断电压 U UGS(off)GS(off)。转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线3.2.33.2.3 P P沟道沟道MOSFETMOSFET简介简介 P P沟道沟道

20、MOSMOS管和管和N N沟道沟道MOSMOS管的主要管的主要区别区别在于在于作为衬底作为衬底的半导体材料的类型不同的半导体材料的类型不同，PMOSPMOS管是以管是以N N型硅作为衬底，而型硅作为衬底，而漏极和源极从漏极和源极从P P区引出，形成的反型层为区引出，形成的反型层为P P型，相应的沟道型，相应的沟道为为P P型沟道。对于耗尽型型沟道。对于耗尽型PMOSPMOS管，在二氧化硅绝缘层中掺入管，在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子。的是负离子。使用时，使用时，u uGSGS的极性与的极性与NMOSNMOS管相反管相反。增强型。增强型PMOSPMOS管的开管的开启电压启电压U UGSGS（t

21、hth）是负值，而耗尽型的是负值，而耗尽型的P P沟道场效应管的夹断电沟道场效应管的夹断电压压U UGS(off)GS(off)是正值。是正值。3.33.3 场效应管的主要参数、特点及注意事项场效应管的主要参数、特点及注意事项3.3.13.3.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、性能参数一、性能参数1.1.开启电压开启电压U UGS(thGS(th)开启电压是开启电压是MOSMOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。2.2.夹断电压夹断电压U UGS(off)GS(off)夹断电压是耗尽型夹断电压

22、是耗尽型FETFET的参数，当的参数，当u uGSGS=U UGS(pffGS(pff)时时,漏极漏极 电电流为零。流为零。3.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管,当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS结型场效应三极管，反偏时结型场效应三极管，反偏时R RGSGS约大于约大于107107；绝缘栅型场效应；绝缘栅型场效应三极管三极管,R RGSGS约是约是10910910151015。5.5.低频跨导低频跨导 g gm m ：表示：表示u uGSGS对对i iD D的控制作用。的控制作用。DSGSD

23、mUudidg 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，g gm m 是曲线在某点上的斜率，也可由是曲线在某点上的斜率，也可由i iD D的表达式求导得出，单位为的表达式求导得出，单位为 S S 或或 mSmS。二、极限参数二、极限参数1、最大漏极电流最大漏极电流IDM 是指管子在工作时允许的最大漏极电流。是指管子在工作时允许的最大漏极电流。2、最大耗散功率最大耗散功率PDM PDM=uDSiD，它受管子的最高工作温度的限制。，它受管子的最高工作温度的限制。3、漏源击穿电压漏源击穿电压U（BR）DS 漏、源极间所能承受的最大电压。漏、源极间所能承受的最大电压。4、栅源击穿电压栅源击穿电压U（BR）

24、GS 漏、源极间所能承受的最高电压。漏、源极间所能承受的最高电压。3.3.23.3.2 场效应管的主要特点及使用注意事项场效应管的主要特点及使用注意事项一、一、特点和选管原则特点和选管原则 1 1、电压控制器件，栅极基本上不取电流，输入电阻高。所以，电压控制器件，栅极基本上不取电流，输入电阻高。所以，常用在那些只允许信号源是取小电流的高精度、高灵敏度常用在那些只允许信号源是取小电流的高精度、高灵敏度 的测量仪器、仪表等。的测量仪器、仪表等。2 2、参与导电的只是多子。所以不易受温度、辐射等外界因素参与导电的只是多子。所以不易受温度、辐射等外界因素 影响，用在环境条件变化较大的场合。影响，用在环

25、境条件变化较大的场合。3 3、噪声较小。对于低噪声、稳定性要求高的线性放大电路宜噪声较小。对于低噪声、稳定性要求高的线性放大电路宜 采用。采用。4 4、制造工艺简单，所占的芯片面积小，功耗很小，使用于制造工艺简单，所占的芯片面积小，功耗很小，使用于大规模集成。大规模集成。5 5、源极和漏极结构对称，可以互换使用。源极和漏极结构对称，可以互换使用。二、二、使用注意事项使用注意事项1 1、使用时，各极电源极性应按规定接入使用时，各极电源极性应按规定接入;各极限参数规定的各极限参数规定的数值绝对不能超过。数值绝对不能超过。2 2、MOSMOS管的衬底和源极通常连接在一起，若需分开，则衬源管的衬底和源

26、极通常连接在一起，若需分开，则衬源间的电压要保证衬源间间的电压要保证衬源间PNPN结反向偏置。结反向偏置。3 3、贮存时，应将管子的三个电极短路；把管子焊接到电路上贮存时，应将管子的三个电极短路；把管子焊接到电路上或取下时，应先用导线将各电极绕在一起；焊接管子，最好或取下时，应先用导线将各电极绕在一起；焊接管子，最好断电利用余热焊接。断电利用余热焊接。4 4、JFETJFET可在栅源极开路状态下贮存，用万用表检查；可在栅源极开路状态下贮存，用万用表检查；MOSMOS管管必须用测试仪，良好接地。必须用测试仪，良好接地。3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路 一、自偏压电路一、自偏压电路

27、 耗尽型耗尽型NMSFETNMSFET的栅偏压是依靠自身电流的栅偏压是依靠自身电流I ID D产生的，故称为产生的，故称为自偏压电路。自偏压电路。3.4.1 FET的偏置电路及静态分析的偏置电路及静态分析自偏压电路求解方程式：自偏压电路求解方程式：2)()1(offGSGSDSSDSDGSUUIIRIU则：则：)(SDDDDDSRRIUU 分压式自偏压电路分压式自偏压电路 RG RG1 RG2 RS RD RL+UDD C1 C2 CS+ui +uo G D S V+DDG2G1G2GSURRRUUSDgggDDGSRIRRRUU212设设U UGSGS=0=0，则：，则：则栅偏压则栅偏压)(

28、SDDDDDSRRIUU而而3.4.23.4.2 FET FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法一、一、FET的简化小信号模型的简化小信号模型 FET FET是非线性器件，但当工作信号幅值足够小、是非线性器件，但当工作信号幅值足够小、且工作在恒流区时，也可用线性电路且工作在恒流区时，也可用线性电路小信号模小信号模型来代替。型来代替。二、用小信号模型法分析二、用小信号模型法分析FETFET放大电路放大电路 场效应管共源极放大电路 RG RG1 RG2 RS RD RL+UDD C1 C2 CS+ui +uo G D S V+1、共源极放大电路、共源极放大电路 共源极放大电路的

29、输出电压与共源极放大电路的输出电压与输入电压输入电压反相反相；输入电阻；输入电阻高高，输，输出电阻主要由出电阻主要由Rd决定决定.RG RG1 RG2 RS RD RL+UDD C1 C2 CS+ui +uo G D S V+解解：静态工作点：V10)55(120)(mA155V520100300100SDDDDDSSGSSDDDG2G1G2GRRIUURURUIURRRU电压放大倍数：5.25/5/LDLRRRk5.125.25LmRgAu输入电阻：1075100/3001000/G2G1GRRRRik输出电阻：5Do RRk2 2、共漏极放大电路、共漏极放大电路与三极管共集与三极管共集电极电路对应电极电路对应直流分析直流分析UG=UDDRg2/(Rg1+Rg2)UGS=UGUS=UGIDRID=IDSS1(UGS/UGS(off)2UDS=UDDIDR由此可以解出由此可以解出UGS、ID和和UDS。直流通路：11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRUgURRUgUUAv)/(g2g1giRRRR交流分析：交流分析：电压放大倍数：电压放大倍数：输入电阻：输入电阻：当Rg（Rg1Rg2）时，RiRg