1、2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 场效应晶体管是利用场效应晶体管是利用电场效应电场效应来控制电流的一种来控制电流的一种半导体器件，即是半导体器件，即是。它的输出电流决。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。输入电阻高，且温度稳定性好。按结构不同按结构不同场效应管有两种场效应管有两种:本节仅介绍绝缘栅型场效应管本节仅介绍绝缘栅型场效应管按工作状态可分为：按工作状态可分为：每类每类又
2、有又有和和之分之分2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章Motal-Oxide-Semiconducor Field Effect Transistor)漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区GSD 由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达电
3、阻很高，最高可达1014 。由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属二氧化硅，故又称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，半导体场效应管，简称简称MOS场效应管。场效应管。2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。当栅源电压当栅源电压UGS=0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之
4、间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SD2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+当当U UGS GS 0 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章EGP型硅衬底型硅衬底
5、N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当U UGSGS U UGS(thGS(th）后，场效后，场效应管才形成导电沟道，应管才形成导电沟道，开始导通，若漏开始导通，若漏源之源之间加上一定的电压间加上一定的电压U UDSDS，则有漏极电流则有漏极电流I ID D产生。产生。在一定的在一定的U UDSDS下漏极电流下漏极电流I ID D的大小与栅源电压的大小与栅源电压U UGSGS有关。所以，场效应管有关。所以，场效应管是一种是一种电压控制电流电压控制电流的的器件。器件。在一定的漏在一定的漏源电压源电压U UDSDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启
6、电压为导通的临界栅源电压称为开启电压U UGS(thGS(th）。2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章（1）uGS=0,uDS0源极和漏极之间始终有一个源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，结反偏，iD=0PN+N+SGiD=0DDSu+0GS u2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章PN+SGN+iD=0D0DS u+GSu(2)uGS 0,uDS=0产生垂直向下的电场产生垂直向下的电场2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章PN+SGN+iD=0D0DS u+GSu电
7、场排斥空穴电场排斥空穴形成耗尽层形成耗尽层吸引电子吸引电子2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章PN+SGN+iD=0D0DS u+GSu形成导电沟道形成导电沟道当当uGS=UGS(th)时时出现反型层出现反型层2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章PN+SGN+iD=0D0DS u+GSuUGS(th)开启电压开启电压N沟道增强型沟道增强型MOS管，简称管，简称NMOSN沟道沟道2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章DSuPN+SGN+iD0D+GSu(3)当当uGS
8、 UGS(th）,uDS0时时.uDS(b)沿沟道有电位梯度沿沟道有电位梯度(a)漏极电流漏极电流iD0uDS增大增大，iD增大增大。(c)不同点的电场强度不同点的电场强度,左高右低左高右低(d)沟道反型沟道反型层呈层呈楔形楔形2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章a.uDS升高升高沟道变窄沟道变窄PN+SGN+iD0D+GSuuDS反型层变窄反型层变窄DSu2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章b.当当uGD=uGS-uDS=UGS(th）时时PN+SGN+iD0D+GSuuDS沟道在漏沟道在漏极端夹断极端夹
9、断(b)管子预夹断管子预夹断(a)iD达到最大值达到最大值DSu2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章c.当当uDS进一步增大进一步增大(a)iD达达到最大值到最大值且恒定且恒定PN+SGN+iD0D+GSuuDSPN+SGN+D+GSuuDS沟道夹断区延长沟道夹断区延长(b)管子进入恒流区管子进入恒流区DSu2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章有导电沟道有导电沟道无导电无导电沟道沟道UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4VDSVGSDvfi)(DGS(th)G
10、SDO2GS(th)GSDOD2)1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章(1)输出特性输出特性放大区放大区截止区截止区常数常数 GS)(DSDuufi24061020GS(th)GSUu mA/DiV/DSuGS(th)GSDSUuu GS(th)GSUu 可可变变电电阻阻区区2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章 可变电阻区可变电阻区a.uDS较小，沟道尚未夹断较小，沟道尚未夹断b.uDS uGS-|UGS(th)|c.管子相当于受管子相当于受uGS控制的控制的压控电
11、阻压控电阻各区的特点：各区的特点：可可变变电电阻阻区区24061020GS(th)GSUu mA/DiV/DSuGS(th)GSDSUuu GS(th)GSUu 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章 放大区放大区(饱和区、恒流区饱和区、恒流区)a.沟道予夹断沟道予夹断c.iD几乎与几乎与uDS无关无关d.iD只受只受uGS的控制的控制b.uDS uGS-|UGS(th)|放大区放大区24061020GS(th)GSUu mA/DiV/DSuGS(th)GSDSUuu GS(th)GSUu 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基
12、础第第 3 3章章截止区截止区a.uGSUGS(th)截止区（夹断区）截止区（夹断区）b.无沟道完全夹断无沟道完全夹断c.iD=024061020GS(th)GSUu mA/DiV/DSuGS(th)GSDSUuu GS(th)GSUu 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章管子工作于放大区时管子工作于放大区时函数表达式函数表达式2GS(th)GSD-UuKi （2）转移特性曲线转移特性曲线 式中，式中，K为与管子有关的参数为与管子有关的参数常数常数 DS)(GSDuufi0mA/DiV/GSuGS(th)U转移特性曲线转移特性曲线2022-12-24
13、2022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章N型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当时才形成导时才形成导电沟道。电沟道。2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章3.1.2 3.1.2 耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章 由于耗尽型场效应管预埋
14、了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在U UGSGS=0=0时，若漏时，若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压U UDSDS，也会，也会有漏极电流有漏极电流 I ID D 产生。产生。当当U UGSGS达到一定负值时，达到一定负值时，N N型导电沟道消失，型导电沟道消失，I ID D=0=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的U UGSGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用U UGS(offGS(off）表示。表示。2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章夹断电压夹断电压 耗尽型的
15、耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。向电压到一定值时才能夹断。UGS(off)转移特性曲线转移特性曲线0ID/mA UGS/V-1-2-34812161 2U DSUGS=0UGS0漏极特性曲线漏极特性曲线0ID/mA16 201248121648IDSS2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章符号：符号：GSD予埋了予埋了P P型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章GSDGSDN沟道沟道G
16、SDGSDP沟道沟道2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章DSGSm UDUIg 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章20020 m1 5msg421010 1471010 对应电极对应电极 BEC
17、 GSD2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章2GSD)41(8 UI2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章SDDDG2G1G2GSRIURRRU 2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII 2022-12-242022-12-2
18、4电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章omDLi(/)UAgRRU ugsiUU)(LDdR/RIUo RG1RDRG2RG+RL+SDGTOUiUdI)(LDgsmR/RUg )/(G2G1GiRRRr DORr 输入电阻输入电阻2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章3.1.3 3.1.3 源极输出器源极输出器+UDD RSC2C1RG1RG2RG+RLuiuo+RG1RSRG2RG+RL+SDGTOUiUSI+gsU交流通路交流通路omSLimSL(/)11(/)uUgRRAUgRRogsiUUU )(LSSR/RIUo)(LSgsmR/RUg
19、 电压放大倍数电压放大倍数)/(LSgsmgsRRUgU 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章CDDSDSGS uiuRU DS1V1.5VUGS=0.5V0ID/mA16 2012481216482V2.5V2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章Ui Uo|UGS|RDS Au Uo +UCC 放大器放大器 整流滤整流滤 波电路波电路uoui2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章3.3.2 3.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路由场效应管工作原理知
20、：由场效应管工作原理知：iD=f(uGS、uDS)DS0DSDGS0GSDDdddGSDSuuiuuiiuu iG=0对对iD全微分全微分 FETDGiSiGSuDSu GSDi2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章DS0DSDGS0GSDDdddGSDSuuiuuiiuu 0GSDmDS uuig为为跨导跨导式中式中0DSDdsdsGS1 uuirgrds为为FET共源极输出电阻共源极输出电阻故故 DSdsmDd1ddurugiGS 2022-12-242022-12-24电子技术基础电子技术基础第第 3 3章章DSdsmDd1ddurugiGS dsdsgsmd1urugi 或者或者微变等效电路微变等效电路 gsdgsugsmugdsrdsu简化的微变等效电路简化的微变等效电路 gsdgsugsmugdsu
