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1、模拟电子线路第三章1第1页，本讲稿共93页场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。漂移运动形成电流。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绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。的扩散运动形成电流。2第2页，本讲稿共93页JFET利用利用PN结反向电压对耗尽层厚度的结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而控制来改变导电沟道的宽度，从而控制漏极电流的大小。控制
2、漏极电流的大小。IGFET绝缘栅极场效应管利用栅源电压的绝缘栅极场效应管利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷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。多少，从而控制漏极电流的大小。3第3页，本讲稿共93页31 结型场效应管结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道沟道JFET图图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极栅极Source源极源极Drain 漏极漏极箭头方向表示栅箭头方向表示栅源间源间PN结若加正结若加正向偏置电压时栅向偏置电压时栅极电流
3、的实际流极电流的实际流动方向动方向4第4页，本讲稿共93页P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号5第5页，本讲稿共93页工作原理工作原理1.UGS对场效应管对场效应管ID的影响的影响(转移特性曲线转移特性曲线)NDGSPP条件：条件：UDS加正电压，加正电压，N沟道的多子（自由电子）沟道的多子（自由电子）形成漂移电流形成漂移电流漏极漏极电流电流ID。UGS反偏电压反偏电压ID如何如何变化？变化？UGSUDSID6第6页，本讲稿共93页(a)UGS=0，沟道最宽当当 UGS =0时，沟道宽，时，沟道宽，所以所以
4、ID较大。较大。NDGSPPUDS7第7页，本讲稿共93页(b)UGS负压增大，沟道变窄负压增大，沟道变窄当当 UGS PN结变厚结变厚导电沟道变窄导电沟道变窄沟沟道电导率道电导率电阻电阻 ID DSPPUGSUDS8第8页，本讲稿共93页(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断图图32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DSPPUGS直到直到UGS=UGS（off）时，时，沟道完全消失，沟道完全消失，ID=0。UGSoff夹断电压夹断电压9第9页，本讲稿共93页312 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线一、转移特性曲线式中：式中：IDSS饱
5、和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的iD值；值；UGSoff夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGSoff时时iD为零。为零。10第10页，本讲稿共93页uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为为保保证证场场效效应应管管正正常常工工作作，PN结结必必须须加加反向偏置电压反向偏置电压问题：问题：若若UDS增大，转移特性曲线如何变化？增大，转移特性曲线如何变化？分析：分析：UDS增大，多子形成的漂移电流增大，增大，多子形成的漂移电流增大，ID增加，增加，转移特性曲线上移。转移特性曲线上移。11第11页，本讲稿共93页2、UDS对场效应管ID的影响（输
6、出特性曲线）输出特性曲线分为四个区域 12第12页，本讲稿共93页DGSUDSUGS沟道局部夹断IDDGS(a)uDS-uGS|UGSoff|（预夹断后）几乎不变13第13页，本讲稿共93页图图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1234iD/mA01020uD S/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuG SUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V14第14页，本讲稿共93页当uDS=0时，iD=0。当当uDS很小时，很小时，uDSiD(近似线性增大近似线性增大)当当uDS较大时，靠近较大时，靠近D极的极的uDG的反偏
7、电压的反偏电压 靠近靠近D极的耗尽层变宽极的耗尽层变宽导电沟道逐渐变窄，导电沟道逐渐变窄，沟道电阻沟道电阻“预夹断预夹断”。出现预夹断的条件为：或 1.可变电阻区（相当于晶体管的饱和区）可变电阻区（相当于晶体管的饱和区）15第15页，本讲稿共93页uGS对iD上升的斜率影响较大，在这一区域内，JFET可看作一个受uGS控制的可变电阻，即漏、源电阻rDS=f(uGS)，故称为可变电阻区。16第16页，本讲稿共93页2.恒流区（相当于晶体管的放大区）恒流区（相当于晶体管的放大区）当漏、栅间电压当漏、栅间电压|uDG|UGSoff|时，即预夹断后时，即预夹断后所对应的区域。所对应的区域。当当UGS一
8、定时：一定时：uDS漂移电流漂移电流iD，但同时，但同时uDSD结结变宽变宽iD，因此，因此iD变化很小，只是略有增变化很小，只是略有增加。加。因此：因此：uDS对对iD的控制能力很弱。（类似基的控制能力很弱。（类似基区宽度调制效应）区宽度调制效应）17第17页，本讲稿共93页当UGSoff UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，时，沟道被全部夹断，iD=0，故此，故此区为截止区。区为截止区。3.截止区截止区19第19页，本讲稿共93页32 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管是是利利用用半半导导体体表表面面的的电电场场效效应应进进行行工工作作的的，也也称
9、称为为表表面面场场效效应应器器件件。IGFET最最常常用用的的是是金金属属氧氧化化物物半半导体导体MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。20第20页，本讲稿共93页优点：（1）输入偏流小，即输入电阻高达1010。（2）制造工艺简单；（3）热稳定性好。IGFET分类：（1）根据导电类型，分为N沟道和P沟道两类。（2）根据uGS=0时，漏源之间是否有导电沟道又可分为增强型（无ID）和耗尽型（有ID）两种。21第21页，本讲稿共93页MOSFETN沟道P沟道增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET22第22
10、页，本讲稿共93页源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD(a)立体图立体图321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构23第23页，本讲稿共93页图图35绝缘栅绝缘栅(金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体)场效应管结构示意图场效应管结构示意图(b)剖面图SGDNNP型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线B半导体24第24页，本讲稿共93页322 N沟道增强型沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理DGS(c)符号BBNUGSNPN结(耗尽层)P型衬底DS25第25页，本讲稿共93页B(
11、a)UGSUGSth，导电沟道已形成uGS越大越大沟道越宽沟道越宽沟道电阻越小沟道电阻越小iD越大越大这种必须依靠G-S电压作用才能形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。27第27页，本讲稿共93页图图3-7 ENMOSFET的转移特性的转移特性二、转移特性二、转移特性(1)当当uGSUGSth时时，iD 0，uGS越越大大，iD也也随随之之增增大大，二二者者符符合合平平方方律关系。律关系。28第28页，本讲稿共93页29第29页，本讲稿共93页BN导电沟道P型衬底UGSN三、三、uDS对沟道导电能力的控制（转移特性）对沟道导电能力的控制（转移特性）30第30页，本讲稿共93页图图39
12、uDS增大，沟道被局部夹断增大，沟道被局部夹断(预夹断预夹断)情况情况31第31页，本讲稿共93页iD0uDSUGS6V截止区4V3V2V5V可变电阻区(a)恒流区区穿击 图图38输出特性输出特性 32第32页，本讲稿共93页(1)截止区：截止区：uGSUGSth，导电沟道未形成，导电沟道未形成，iD=0。(2)恒流区恒流区曲线间隔均匀，曲线间隔均匀，uGS对对iD控制能力强。控制能力强。uDS对对iD的控制能力弱，曲线平坦。的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为进入恒流区的条件，即预夹断条件为即：即：|uGD|UGSth33第33页，本讲稿共93页(b)厄尔利电压 uDSi
13、D0UGSUA(厄尔利电压)沟道调制系数沟道调制系数：厄尔利电压：厄尔利电压UA的倒数，的倒数，曲线越平坦曲线越平坦|UA|越大越大越小。越小。34第34页，本讲稿共93页考虑uDS对iD的微弱影响后恒流区的电流方程为：但但0就有就有iD电流，且电流，且uGSiD；当当uGS减小为负值时，减小为负值时，iD；当uGS=UGSoff时，iD=0，管子进入截止状态。37第37页，本讲稿共93页图图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38第38页，本讲稿共93页图图310N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管
14、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)DGSB39第39页，本讲稿共93页式中：式中：ID0表示表示uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。40第40页，本讲稿共93页图图310N沟沟道道耗耗尽尽型型MOS管管的的特特性性及及符符号号(a)转转移特性；移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)表示符号表示符号41第41页，本讲稿共93页 324各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型 FET图图311各种场效应管的符号对比各种场效应管的符号对比42第42页，本讲稿共93页图
15、图311各种场效应管的符号对比各种场效应管的符号对比43第43页，本讲稿共93页44第44页，本讲稿共93页图图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；转移特性；(b)输出特性输出特性uDSiD0线性可变电阻区012345601231233456789结型P沟耗尽型MOSP沟345601201231233456789结型N沟耗尽型增强型MOS N沟UGS/VUGS/V增强型45第45页，本讲稿共93页各种类型场效应管的工作区间小结：各种类型场效应管的工作区间小结：JFETUGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD截止区：截止区：GS结
16、夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹断结未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断 46第46页，本讲稿共93页UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未结未夹断夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断 截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且47第47页，本讲稿共93页在恒流区满足：48第48页，本讲稿共93页E-MOSFET(增强型)UGSthUGsthN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变
17、电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断49第49页，本讲稿共93页UGSthUGsthN沟道P沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹结未夹断断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于N沟道：沟道：50第50页，本讲稿共93页UGSthUGsthN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断截止区：可变电阻区：且恒流区：且对于P沟道：51第51页，本
18、讲稿共93页在恒流区满足：52第52页，本讲稿共93页D-MOSFET(耗尽型)截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD53第53页，本讲稿共93页截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹结未夹断断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于N沟道：沟道：UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD54第54页，本讲稿共93页截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可
19、变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹断结未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于N沟道：沟道：UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD55第55页，本讲稿共93页在恒流区满足：56第56页，本讲稿共93页34 场效应管放大器场效应管放大器 场效应管有三种基本放大电路：共源、共漏和共栅。其偏置电路也要保证管子工作在恒流区。由于场效应管的输入电流近似为0，因此它是电压控制器件。需要选择合适的UGS和UDS以保证管子工作在恒流区。57第57页，本讲稿共93页341 场效应管偏置电路场
20、效应管偏置电路常用的有两种偏置电路：常用的有两种偏置电路：RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)图图314场效应管偏置方式场效应管偏置方式(a)自偏压方式；自偏压方式；(b)混合偏置方式混合偏置方式 58第58页，本讲稿共93页v自偏压式自偏压式：特点是：特点是UGS=0。适合。适合JFET和和DMOSFET。v混合偏置方式混合偏置方式：分压式偏置。三种场效：分压式偏置。三种场效应管都适合。应管都适合。对于增强型MOSFET，只能采用混合偏置方式。59第59页，本讲稿共93页例：设例：设uGSoff=-5V，IDSS=1mA
21、，试估算电路，试估算电路的静态工作点。的静态工作点。R1R2R3RDRS20V10k60第60页，本讲稿共93页解：画直流通路。解：画直流通路。估算法：估算法：由电流方程和栅源直流负载线方由电流方程和栅源直流负载线方程联立成方程组求解，即可得工作点。程联立成方程组求解，即可得工作点。R1R2R3RDRS20V因为因为iG=0，所以：，所以：61第61页，本讲稿共93页输入回路满足：R1R2R3RDRS10k20V同时在放大区满足：62第62页，本讲稿共93页联立上述两方程，得到：联立上述两方程，得到：ID1=0.61mA，ID2=1.64mA 将将ID1=0.61，ID2=1.64mA代入（代
22、入（1）式，分）式，分别得到别得到UGS1=-1.1V，UGS2=-11.4V（1）（2）因为因为UGS2UGSoff，所以，所以ID2舍去。舍去。63第63页，本讲稿共93页R1R2R3RDRS10k20V则：则：UDSQ=20-0.61(10+10)=7.8V。因此：IDQ=0.61mAUGSQ=-1.1V64第64页，本讲稿共93页RDUDDRSuiRGV(a)问题：对于自偏压式，如何联立方程？问题：对于自偏压式，如何联立方程？65第65页，本讲稿共93页 图图315图解法求直流工作点图解法求直流工作点(a)自偏压方式；自偏压方式；(b)混合偏置方式混合偏置方式 图解法图解法66第66页
23、，本讲稿共93页 栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式对于自偏压方式2.对于混合偏置方式对于混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程67第67页，本讲稿共93页 342场效应管放大器分析场效应管放大器分析求解交流小信号等效电路与双极型晶体管类似。只是场效应管的输入电流为0，因此输出电流iD只受输入电压控制，不受输入电流控制。控制能力用跨导gm表示。68第68页，本讲稿共93页交流小信号等效电路：gmuGSrDSuDS+-GSDrDS是反映了是反映了器件的沟道调器件的沟道调制效应。制效应。69第69页，本讲稿共93页gm的求法：对对JFET和耗尽型和耗
24、尽型MOS管，管，则对应工作点Q的gm为：70第70页，本讲稿共93页gm的求法：对增强型对增强型MOSFET，则对应工作点Q的gm为：W/Lgm 71第71页，本讲稿共93页图图316共共源源放放大大器器电电路路及及其其低低频频小小信信号号等等效效电电路路 (a)电电路；路；(b)低频小信号等效电路低频小信号等效电路一、共源放大器一、共源放大器72第72页，本讲稿共93页图图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；电路；(b)低频小信号等效电路低频小信号等效电路73第73页，本讲稿共93页式式中中，且且一一般般满满足足RDRLrds。所所以
25、，共源放大器的放大倍数以，共源放大器的放大倍数Au为为若若gm=5mA/V，则，则Au=50。Au：74第74页，本讲稿共93页输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：75第75页，本讲稿共93页图图317基于基于Workbench平台的平台的FET放大电路的计算机仿真放大电路的计算机仿真76第76页，本讲稿共93页 例：例：场效应管放大器电路如图场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知所示，已知工作点的工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，试画出低频小信号等效电路，并计算增益并计算增益Au。uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k
26、1k1MRL1Mgm2mA/V(a)77第77页，本讲稿共93页gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RDRLuo+-解：低频小信号模型如上图所示。78第78页，本讲稿共93页(a)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图图319共漏电路及其等效电路共漏电路及其等效电路 (a)电路；电路；(b)等效电路等效电路二、共漏放大器二、共漏放大器79第79页，本讲稿共93页gmuGSrdSui+-GSDRSRG3RG1RG2RLuo+-Au：80第80页，本讲稿共93页gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RLuo
27、+-或：81第81页，本讲稿共93页图图319共漏电路及其等效电路共漏电路及其等效电路 (a)电路；电路；(b)等效电路等效电路Uo.RLRSSDId.(b)gmUgs.gmUiId(RSRL).82第82页，本讲稿共93页图图320计算共漏电路输出电阻计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路的等效电路 2.输出电阻输出电阻Ro83第83页，本讲稿共93页图图320计算共漏电路输出电阻计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路的等效电路84第84页，本讲稿共93页由图可见 式中：所以，输出电阻为 85第85页，本讲稿共93页故故 3.输入电阻输入电阻 86第86页，本讲稿共93页343若干问题的讨论若干问题
28、的讨论一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多晶体管的电流晶体管的电流iC与发射结电压与发射结电压uBE成指数关系，成指数关系，而场效应管的漏极电流而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。与栅源电压成平方律关系。87第87页，本讲稿共93页晶体管：MOSFET：JFET：88第88页，本讲稿共93页 二、关于温度稳定性图图321 场效应管的零温度系数点场效应管的零温度系数点89第89页，本讲稿共93页三、关于体效应和背栅跨导90第90页，本讲稿共93页图图322 计入背栅跨导的计入背栅跨导的FET等效电路等效电路91第91页，本讲稿共93页92第92页，本讲稿共93页作作 业业3-13-33-43-53-73-893第93页，本讲稿共93页