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1、第第3章章 场效应管及其放大电路n结型场效应管n金属-氧化物-半导体场效应管n场效应管放大电路第3章 场效应管及其放大电路半导体三极管(场效应管）图片第3章 场效应管及其放大电路半导体三极管图片第3章 场效应管及其放大电路场效应管场效应管【FETField Effect Transistor】双极型三极管场效应管BJTFET电流控制电流控制的元件的元件(iBiC)电压控制电压控制的元件的元件(vGSiD)两种载流子（两种载流子（电子和空电子和空穴穴）同时参与导电）同时参与导电故称双极型三极管故称双极型三极管只有一种载流子（只有一种载流子（多子电多子电子子）参与导电）参与导电故也称故也称单极型三
2、极管单极型三极管对照两种形式的三极管：第3章 场效应管及其放大电路功耗低功耗低集成度高（单位面积上容纳的门电路数量集成度高（单位面积上容纳的门电路数量远大于双极型三极管）远大于双极型三极管）输入阻抗大输入阻抗大（10107 710101212 ）热稳定性好（与环境温度关系不大）热稳定性好（与环境温度关系不大）抗干扰能力强抗干扰能力强缺点：速度低。速度低。FET的特点：体积小，重量轻，价格低，寿命长；体积小，重量轻，价格低，寿命长；第3章 场效应管及其放大电路FET的分类：根据结构不同，可分为：根据结构不同，可分为：结型场效应管（结型场效应管（JFETJunction type Field Ef
3、fect Transistor）金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管（MOSFETMetal Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor）N N沟道沟道P P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型第3章 场效应管及其放大电路3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)1. N沟道结型场效应管符号：符号：栅极栅极【Gate】漏极漏极 【Drain】源极源极 【Source】NP+P+3.1.1 JFET的结构和工作原理第3章 场效应管及其放大电路2. P沟道结型场效应管符号：符
4、号：箭头：PNPN栅极栅极【Gate】漏极漏极 【Drain】源极源极 【Source】PN+N+第3章 场效应管及其放大电路以N沟道JFET为例：栅极栅极漏极漏极源极源极NP+P+- -+ +耗尽层耗尽层第3章 场效应管及其放大电路当当N N沟道沟道JFETJFET工作时，需：工作时，需：vGSvDS+-dgs在栅极和源极在栅极和源极间加一个负电压间加一个负电压( (vGS0),),使使N N沟沟道中电子在电场道中电子在电场作用下由源极向作用下由源极向漏极运动，漏极运动，形成形成电流电流iD。iD的大小受的大小受vGS控制控制iD第3章 场效应管及其放大电路1. 栅源电压vGS对电流iD的控
5、制作用分析工作原理：分析工作原理：实际上就是分析实际上就是分析vGS对对iD的控制作用的控制作用和和vDS对对iD的的影响。影响。这里要讨论的关系是：这里要讨论的关系是：常常数数DSvGSDvfi第3章 场效应管及其放大电路在栅源间加负电压在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，为便于讨论，先令先令vDS =0当当vGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电沟道最宽。结，导电沟道最宽。Ngds+pVGG+p第3章 场效应管及其放大电路在栅源间加负电压在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令，为便于讨论，先令vDS =0当当vGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，结，导电沟道最宽。导电沟道最宽。当当vG
6、S时，时，PN结反结反偏，耗尽层变宽，导电沟偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。道变窄，沟道电阻增大。psd+gGGNV+p第3章 场效应管及其放大电路NGGg+sdpVp+对于N沟道JFET，VP00在栅源间加负电压在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令，为便于讨论，先令vDS =0当当vGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，结，导电沟道最宽。导电沟道最宽。当当vGS时，时，PN结反偏，结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。沟道电阻增大。当当vGS到一定值时到一定值时 ，沟道会完全合拢。沟道会完全合拢。夹断电压夹断电压V VP P使导电沟道完使导电
7、沟道完全合拢（消失）所需要的栅源全合拢（消失）所需要的栅源电压电压vGS。 注意第3章 场效应管及其放大电路可以归纳，可以归纳，vDS0时时vGS对导电沟道的控制作用：对导电沟道的控制作用：(a) vGS=0(b) vGS0(c) vGS=VP此时，此时，vGS变化虽然导电沟道随之变化，但漏极变化虽然导电沟道随之变化，但漏极电流电流iD总是等于总是等于0 0。若若vDS为一固定正值为一固定正值，则，则 iD 将受将受vGS的控制，的控制， vGS 时，沟道电阻时，沟道电阻， iD。vDS第3章 场效应管及其放大电路2. vDS对iD的影响这里要讨论的关系是：这里要讨论的关系是：常常数数GSvD
8、SDvfi 第3章 场效应管及其放大电路在漏源间加电压在漏源间加电压vDS ，为便于讨论，为便于讨论，先令先令vGS =0由于由于vGS=0，所以，所以导电沟道最宽导电沟道最宽。Ngds+p+pdiVDD 当当vDS=0时，时， iD=0。第3章 场效应管及其放大电路在漏源间加电压在漏源间加电压vDS ，为便于讨论，为便于讨论，先令先令vGS =0由于由于vGS=0，所以，所以导电沟道最宽导电沟道最宽。 当当vDS=0时，时， iD=0。dsNgdi+pp+VDDvDSiD 靠近漏极处的耗尽层加靠近漏极处的耗尽层加 宽，沟道变窄，呈楔形分布宽，沟道变窄，呈楔形分布第3章 场效应管及其放大电路在
9、漏源间加电压在漏源间加电压vDS ，为便于讨论，为便于讨论，先令先令vGS =0由于由于vGS=0，所以，所以导电沟道最宽导电沟道最宽。 当当vDS=0时，时，iD=0。vDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布沟道变窄，呈楔形分布当当vDS，使，使vGD=vGS- vDS =-vDS= VP时，在靠漏极时，在靠漏极A点处夹断点处夹断预夹断。预夹断。NgsdidDDVp+p+A此时此时iD达到了达到了饱和漏电流饱和漏电流IDSS表示栅源极间短路当当vGS为一固定常数时，为一固定常数时， VP=vGD=vGS- vDS第3章 场效应管及其放大电路sidgVd
10、DDp+p+在漏源间加电压在漏源间加电压vDS ，为便于讨论，为便于讨论，先令先令vGS =0由于由于vGS=0，所以，所以导电沟道最宽导电沟道最宽。 当当vDS=0时，时， iD=0。vDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布沟道变窄，呈楔形分布当当vDS，使，使vGD=vGS- vDS=- vDS =VP时，在靠漏极时，在靠漏极A点处夹断点处夹断 预夹断。预夹断。vDS再再，预夹断点下移，预夹断点下移预夹断前，预夹断前， vDSiD预夹断后，预夹断后， vDSiD几乎不变几乎不变第3章 场效应管及其放大电路总结工作情况总结工作情况 ID受输入电压受输入
11、电压vGS的控制，其的控制，其iG00，输入电，输入电阻很大；阻很大； 其导电特性是由多子决定的，故其热噪声很其导电特性是由多子决定的，故其热噪声很小，受环境温度影响很小小，受环境温度影响很小； ID受漏源电压受漏源电压vDS的影响的影响 vDS很小时很小时(即预夹断前即预夹断前)，ID与与vDS成正比，呈纯阻性成正比，呈纯阻性 预夹断时，当预夹断时，当vDS到到一定程度，一定程度，ID=IDSS(最大饱和电流最大饱和电流) vDS继续增加继续增加，ID不变不变 vDS再增加再增加，当，当vDSV(BR)DS时击穿，时击穿， ID第3章 场效应管及其放大电路(a) vGS=0, vDS=0时时
12、iD=0(b) vGS=0, vDSVP时时图示：改变vDS时JFET导电沟道的变化第3章 场效应管及其放大电路vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGSUGS(off)且UGDUGS(off),未夹断,可变电阻区;nUGSUGS(off)且UGDUGS(off),夹断,恒流区;nUGSUGS(off),全夹断,夹断区;n例3.1 P58第3章 场效应管及其放大电路3.1.3 场效应管的主要参数【翻看教材翻看教材P58P58】（1 1）夹断电压）夹断电压VP（2 2）饱和漏电流）饱和漏电流IDSS（3 3）低频互导（跨导）低频互导（跨导）gm其余请同学们自己看！第3章 场效应管及其放
13、大电路3.2 3.2 金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管MOSFETP沟道沟道N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型分类：所谓所谓“增强型增强型”：指指vGS=0时，没有导电沟道时，没有导电沟道，即即iD=0，而必须依靠栅源电压，而必须依靠栅源电压vGS的作用，才的作用，才形成感生沟道的形成感生沟道的FET，称为增强型，称为增强型FET。所谓所谓“耗尽型耗尽型”：指指vGS=0时，也会存在导电时，也会存在导电沟道沟道，iD0的的FET，称为耗尽型，称为耗尽型FET。第3章 场效应管及其放大电路-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底符号：符号：3.2.1.N沟道增强
14、型MOSFET1. 结构SiO2绝缘层绝缘层铝电极铝电极半导体半导体第3章 场效应管及其放大电路2. 工作原理 栅源电压栅源电压vGS的控制作用的控制作用 当当vGS=0V时：时：-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+NN+PN+sdB任意极性sdBiD=0第3章 场效应管及其放大电路当当vGS0V0V时时认为金属极板（铝）与认为金属极板（铝）与P型衬型衬底间构成一个平板电容底间构成一个平板电容 现假设现假设vDS=0V，在，在s、g间加一电压间加一电压vGS0V+-形成由栅极指向形成由栅极指向P型型衬底的纵向电场衬底的纵向电场将靠近栅极下方的空将靠近栅极下方的空穴向下排斥穴向下排斥形成耗尽层。
15、形成耗尽层。第3章 场效应管及其放大电路 现假设现假设vDS=0V，在，在s、g间加一电压间加一电压vGS0V当当vGS增大时增大时耗尽层增宽，并且该大电场会耗尽层增宽，并且该大电场会把衬底的自由电子吸引到把衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形耗尽层与绝缘层之间，形成一成一N型薄层，构成漏型薄层，构成漏-源源之间的导电沟道，称为之间的导电沟道，称为反反型层（也称感生沟道）型层（也称感生沟道）。vGS反型层越厚反型层越厚沟道电阻沟道电阻两个两个N+区被感生沟道连在一起区被感生沟道连在一起 vDS=0 iD0第3章 场效应管及其放大电路刚刚产生沟道所需的栅源电压刚刚产生沟道所需的栅源电压vG
16、S，用，用VT表示表示 。vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： vGS VT，管子截止，管子截止， vGS VT，管子导通。，管子导通。 vGS 越大，沟道越宽，在漏源电压越大，沟道越宽，在漏源电压vDS0时，漏极电流时，漏极电流ID始终为始终为0。关于关于“开启电压开启电压”的定义的定义第3章 场效应管及其放大电路 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid假设假设vGSVT且为一固定值时，并在漏源之间且为一固定值时，并在漏
17、源之间加上正电压加上正电压vDS:(b) 外加外加vDS较小时较小时vDSVT(a) vDS=0时，时，iD=0第3章 场效应管及其放大电路 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用假设假设vGSVT且为一固定值时，并在漏源之间且为一固定值时，并在漏源之间加上正电压加上正电压vDS:vDSid；同时沟；同时沟道靠漏区变窄道靠漏区变窄-二氧化硅NisdNVb+DDdVP衬底GGg(b) 外加外加vDS较小时较小时vDSVT(a) vDS=0时，时，iD=0第3章 场效应管及其放大电路 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用（c）当）当vDS增
18、加到使增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹时，沟道靠漏区夹断，称为断，称为预夹断预夹断。-GGbVd二氧化硅siNgDD+dP衬底VN+第3章 场效应管及其放大电路 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用（c）当）当vDS增加到使增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹时，沟道靠漏区夹断，称为断，称为预夹断预夹断。（d）vDS再增加，预夹再增加，预夹断区加长，断区加长， vDS增增加的部分基本降加的部分基本降落在随之加长的落在随之加长的夹断沟道上，夹断沟道上，id基基本不变。本不变。-P衬底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg第3章 场效应管及其放大电路总结N沟道增
19、强型MOSFET的工作原理： s N+ N+ P （衬衬底底） g d B N+ N+ P （衬衬底底） B g vDS vGS s d g vDS vGS s N+ N+ P （衬衬底底） d B g vDS vGS s N+ N+ P （衬衬底底） d B g vDS vGS s N+ N+ P （衬衬底底） d B 第3章 场效应管及其放大电路2.特性曲线输出特性曲线输出特性曲线const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） 饱和区饱和区（恒
20、流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）第3章 场效应管及其放大电路图图02.14 VGS对漏极电流的控制特性对漏极电流的控制特性转移特性曲转移特性曲线线 转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为的量纲为mA/V，所以，所以gm也称为跨导。也称为跨导。跨导的定义式如下跨导的定义式如下gm= ID/ VGS VDS=const (单位单位mS) ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线转移特性曲线第3章 场效应管及其放
21、大电路 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层层中掺入了大量的金属中掺入了大量的金属正离子。所以当正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经时，这些正离子已经感应出反型层，形成感应出反型层，形成了沟道。了沟道。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +符号3.2.2 N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源可以在正或负的栅源电压下工作，而且基电压下工作，而且基本上无栅流本上无栅流第3章 场效应管及其放大电路当当vGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入vDS，就有就有iD。当当vGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当vGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。
22、减小。 夹断电压（夹断电压（ VP）沟道刚刚消失所需的栅沟道刚刚消失所需的栅源电压源电压vGS。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +特点：特点：第3章 场效应管及其放大电路 (b) 转移特性曲线转移特性曲线2.特性曲线第3章 场效应管及其放大电路绝缘栅场效应管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型各种FET的比较与使用注意事项第3章 场效应管及其放大电路绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型第3章 场效应管及其放大电路结结型型场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P沟沟道道耗耗尽尽型型第3章 场效应管及其放大电路+gTRdRRgC1
23、C2uouiVD DCdsvivo【参见教材P63】3.3 3.3 场效应管放大电路场效应管放大电路3.3.1 FET电路组成ID 源极电阻在在vGS=0时，耗尽型时，耗尽型FET也会有漏也会有漏源电流流过电阻源电流流过电阻Rs，而栅极是，而栅极是经电阻经电阻Rg接地，所以在静态时接地，所以在静态时VGS = -ID Rs自身可提供一个电压，称自身可提供一个电压，称 为为自偏压自偏压。源极旁路电容第3章 场效应管及其放大电路该电路该电路只适用于耗尽型只适用于耗尽型FETFET，对于增强型，对于增强型FETFET不能适用！不能适用！注意啦+gTRdRRgC1C2uouiVD DCdsvivoID
24、 计算计算Q点：即求出点：即求出VGS 、 ID 、VDS2GS(off)GSDSSD)1 (VVII已知已知VP ，由，由VGS =- IDR可解出可解出Q点的点的VGS 、 IDVDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：联立求解联立求解第3章 场效应管及其放大电路3.3.2 FET放大电路的分析 1. FET的低频小信号模型【参见教材P64】，均均开开路路。认认为为在在简简化化模模型型中中，很很大大，和和一一般般dsgsrr g s s g d d + rds gsmVggsVrgs -vGSiD-vDSdIJFET低频小信号等效模型低频小信号等效模型 g s d + gsm
25、VggsV简化后的实用模型第3章 场效应管及其放大电路例3.2 分压式自偏压电路漏极电源漏极电源VDD经分压电阻经分压电阻Rg1和和Rg2分分压后，通过压后，通过Rg3供给栅极电压供给栅极电压Vg，则，则DDggggVRRRV212+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2M47M10M2k30k4.7F0.01FiDVSAIg3思考：思考：为何为何Vg与与Rg3无关？无关？ Rg310M又又Rg1 Rg2，则，则VAVDD Ig30，可认为在，可认为在Rg3上没上没有压降，故有压降，故VgVA第3章 场效应管及其放大电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1
26、g2 2GS(off)GSDSSD)1 (VVII可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 已知已知V GS(off)，将有，将有RIVRRRVDDDg2g1g2GSVDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：计算计算Q点：即求出点：即求出VGS 、 ID 、VDS+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2M47M10M2k30k4.7F0.01FiDVSAIg3联立联立该电路产生的栅源电压该电路产生的栅源电压可正可负可为可正可负可为0 0，所以适用于，所以适用于所所有的有的场效应管电路！场效应管电路！注意啦第3章 场效应管及其放大电路动态分析动态分析
27、+C2RuTg3D D1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVg第3章 场效应管及其放大电路 画出共源放大电路的交流小信号等效电路画出共源放大电路的交流小信号等效电路 求电压放大倍数求电压放大倍数 求输入电阻求输入电阻 求输出电阻求输出电阻则则)/(g2g1g3iRRRRdoRR gsiVV)/(LdgsmoRRVgV)/(LdmioVRRgVVA动态分析：动态分析：【步骤与BJT放大电路相同】+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVg第3章
28、 场效应管及其放大电路vFET工作原理：本章小结JFET管：利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。MOSFET管：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。第3章 场效应管及其放大电路vFET放大电路也有三种组态：共源、共漏和 共栅。电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。 本章小结第3章 场效应管及其放大电路v双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少子漂移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电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上热噪声热噪声较大较大较小较小静电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制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成本章小结