第9讲 场效应管

重点难点重点：共源（CS）、共栅（CG）、共漏（CD）三种组态放大器的分析方法及性能比较。难点：结型和绝缘栅型场效应管的结构和工作原理1结型场效应管2场效应管放大电路N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道1结型场效应管结构工作原理输出特性转移特性主要参数（1）JFET的结构和工作原理（2）JFET的特性曲线及参数源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号（1）JFET的结构和工作原理结型场效应管1.结构#符号中的箭头方向表示什么？（1）JFET的结构和工作原理1.结构GDSGDSNPP2.工作原理结型场效应管①VGS对沟道的控制作用当VGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。VGS继续减小，沟道继续变窄②VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，VDSIDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变③VGS和VDS同时作用时当VPVGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的VDS，ID的值比VGS=0时的值要小。在预夹断处VGD=VGS-VDS=VP栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？UGS（off）结型场效应管漏-源电压对漏极电流的影响uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）结型场效应管综上分析可知•沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。•JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制•预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。结型场效应管#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。结型场效应管#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？（2）JFET的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfi2.转移特性const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSDvVVvIiVP1.输出特性①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：DSGSDmVvig时）（当0)1(2GSPPPGSDSSmvVVVvIg或结型场效应管3.主要参数漏极电流约为零时的VGS值。VGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。④输出电阻rd：GSDDSdVivr结型场效应管3.主要参数⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。MOS场效应管增强型MOS场效应管耗尽型MOS场效应管MOS场效应管分类MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管N沟道增强型MOS场效应管结构增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。N沟道增强型MOS场效应管工作原理增强型MOS管UDSID++--++--++++----UGS反型层当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管增强型MOS管uDS对iD的影响用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？iD随uDS的增大而增大，可变电阻区uGD＝UGS（th）,预夹断iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻耗尽型MOS管耗尽型MOS管在uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线ID=f(UDS)UGS=C输出特性曲线1.可变电阻区：ID与UDS的关系近线性ID≈2K(UGS-UT)UDS0dUDDSonGSdIdUR2K1UU1TGSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管输出特性曲线2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：UDS增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)MOS管的特性1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2)1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，3.场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS＜极性任意，沟道＞极性任意，沟道耗尽型＜，＜沟道＞，＞沟道增强型绝缘栅型＜，＞沟道＞，＜沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS＞0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS＜0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？场效应管放大电路直流偏置电路静态工作点FET小信号模型动态指标分析三种基本放大电路的性能比较（1）FET的直流偏置及静态分析（2）FET放大电路的小信号模型分析法(1)静态工作点的设置方法1.基本共源放大电路根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)GGDODQGGGSQ)1(RIVUUVIIVU2.自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2GS(off)GSQDSSD)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU由正电源获得负偏压称为自给偏压3.分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU2GS(th)GSQDOD)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU为什么加Rg3?其数值应大些小些？即典型的Q点稳定电路DSGSDmUuig近似分析时可认为其为无穷大！根据iD的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的h参数等效模型类比：基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu若Rd=3kΩ，Rg=5kΩ，gm=2mS，则与共射电路比较。?uA基本共漏放大电路的动态分析ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu若Rs=3kΩ，gm=2mS，则?uA基本共漏放大电路输出电阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR∥若Rs=3kΩ，gm=2mS，则Ro=?3.三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：beLc)//(rRR)//)(1()//()1(LebeLeRRrRRbeLc)//(rRRCE：CC：CB：)//(LdmRRg)//(1)//(LmLmRRgRRg)//(LdmRRgCS：CD：CG：beb//rR输出电阻：cR)//)(1(//LebebRRrR1)//(//bebserRRR1//beerRcR3.三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)//(g2g1g3RRRm1//gR)//(g2g1g3RRRCE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1//gRdR小结1.场效应管种类很多，主要有结型和绝缘栅场效应管结型有N沟道和P沟道两种，N沟道在UGS0下工作，P沟道在UGS0下工作绝缘栅场效应管有N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。2.场效应管是单极型电压控制器件，具有输入电阻高，一般可达109。小结3.场效应管放大电路主要有共源、共栅和共漏三种基本组态放大器。静态偏置电路主要有自给偏置电路和外置偏置电路两种。自给偏置电路适用于结型和耗尽型场效应管。而对增强型场效应管只能采用外置偏置电路。静态分析可采用计算法和图解法动态分析与三极管基本相似，主要采用微变等效电路法进行分析。