模拟电子技术基础_杨拴科_第3章

上页下页返回模拟电子技术基础3场效应晶体管及其放大电路晶体管的主要特点1.电流控制型器件。2.输入电流大，输入电阻小。3.两种极型的载流子都参与导电，又称为双极型晶体管，简称BJT（BipolarJunctionTransistor)。3.0概述上页下页返回模拟电子技术基础场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)。(a)输入电阻高，可达107~1015W。(b)起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。(c)体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。场效应管的主要特点上页下页返回模拟电子技术基础1.结型场效应管，简称JFET(JunctionFieldEffectTransistor)。场效应管按结构可分为场效应管的类型2.绝缘栅型场效应管，简称IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor)。上页下页返回模拟电子技术基础3.1结型场效应管3.1.1结型场效应管的结构和类型sgdP+NP+SiO2保护层N沟道JFET结构示意图上页下页返回模拟电子技术基础NP+P+形成SiO2保护层以N型半导体作衬底上下各引出一个电极左右各引出一个电极两边个引出一个电极两边个引出一个电极两边扩散两个高浓度的P型区上页下页返回模拟电子技术基础漏极d（drain)源极s（source)栅极g（gate)NP+P+N型导电沟道符号称为N沟道JFETgds上页下页返回模拟电子技术基础符号P沟道JFET结构示意图PN+N+P型导电沟道sgdgds上页下页返回模拟电子技术基础N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管结型场效应管分3.1.2结型场效应管的工作原理电路图GDS上页下页返回模拟电子技术基础1．uDS=0时，uGS对沟道的控制作用a．当uGS=0时NP+P+N型导电沟道sd=0沟道无变化g上页下页返回模拟电子技术基础b．UGS(off)uGS0NP+P+N型导电沟道sd=0P+–+(a)PN结加宽(b)PN结主要向N区扩展(c)导电沟道变窄(c)导电沟道电阻增大g上页下页返回模拟电子技术基础NP+P+N型导电沟道sd=0P+P+(a)PN结合拢(b)导电沟道夹断c．0uGS=UGS(off)UGS(off)——栅源截止电压或夹断电压–+g上页下页返回模拟电子技术基础当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示上页下页返回模拟电子技术基础2．当uGS=0时，uDS对沟道的控制作用NP+P+N型导电沟道sd=0–+g上页下页返回模拟电子技术基础NP+P+N型导电沟道sd=0–+a．0uDS|UGS(off)|(b)沿沟道有电位梯度(c)沿沟道PN结反偏电压不同(a)漏极电流iD≠0，uDS增大，iD增大uDS(d)沟道PN结呈楔形g上页下页返回模拟电子技术基础NP+P+N型导电沟道sd=0–+P+b．uDS=|UGS(off)|(a)iD达到最大值(b)沟道点夹断(预夹断)•g上页下页返回模拟电子技术基础c．uDS|UGS(off)|NP+N型导电沟道sd=0P+–+(b)沟道夹断区延长g(a)iD达到最大值，且几乎不随uDS的增大而变化上页下页返回模拟电子技术基础当uGS=0时，uDS对沟道的控制作用动画演示上页下页返回模拟电子技术基础3．当uDS≥0时，uGS(≤0）对沟道的控制作用a.uDS和uGS将一起改变沟道的宽度c.当uDG=|UGS(off)|时沟道出现预夹断b.PN结在漏极端的反偏电压最大uDG=uDS–uGSNP+N型导电沟道sdP+–++–g上页下页返回模拟电子技术基础uDS、uGS共同对沟道的控制作用动画演示上页下页返回模拟电子技术基础(1)JFET是利用uGS所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小。(2)场效应管为一个电压控制型的器件。(3)在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。小结在P沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为正值。即JFET是利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称为场效应管。上页下页返回模拟电子技术基础3.1.3结型场效应管的伏安特性在正常工作的情况下，iG=0，管子无输入特性。++––上页下页返回模拟电子技术基础1．输出特性（漏极特性）24061020可变电阻区放大区截止区++––上页下页返回模拟电子技术基础24061020可变电阻区(1)可变电阻区a.uDS较小c.uDS＜|UGS(off)|+uGSd.管子相当于受uGS控制的压控电阻各区的特点b.沟道尚未夹断上页下页返回模拟电子技术基础放大区(2)放大区放大区也称为饱和区、恒流区。b.uDS≥|UGS(off)|+uGSa.沟道预夹断c.iD几乎与uDS无关d.iD只受uGS的控制24061020上页下页返回模拟电子技术基础截止区a.uGS＜UGS(off)(3)截止区b.沟道完全夹断c.iD≈024061020上页下页返回模拟电子技术基础2．转移特性表示场效应管的uGS对iD的控制特性定义上页下页返回模拟电子技术基础••••(1)对于不同的uDS，对应的转移特性曲线不同。曲线特点(2)当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。••OO上页下页返回模拟电子技术基础2GS(off)GSDSSD)1(UuIi当管子工作于恒流区时称为零偏漏极电流GS(off)DSGSV0DDSSUuuiIDSSI上页下页返回模拟电子技术基础3.1.4结型场效应管的主要电参数1．直流参数(1)夹断电压UGS(off)(2)零偏漏极电流IDSS(也称为漏极饱和电流)上页下页返回模拟电子技术基础(3)直流输入电阻RGS2．交流参数(1)跨导gm也称为互导。其定义为常数DSGSDmddUuig上页下页返回模拟电子技术基础当管子工作在放大区时得管子的跨导2GS(off)GSDSSD)1(UuIi由GSDmdduig])1([dd2GS(off)GSDSSGSUuIu上页下页返回模拟电子技术基础)1(2GS(off)GSQGS(off)DSSUUUI可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。DQDSSGS(off)2IIU上页下页返回模拟电子技术基础3.极限参数(1)漏极最大允许耗散功率PDSM(2)最大漏极电流IDSM(2)极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cds(3)栅源击穿电压U（BR）GS(4)漏源击穿电压U（BR）DS上页下页返回模拟电子技术基础[例]在图示电路中，已知场效应管的；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？(b)(c)(a)[解](a)因为uGSUGS(off),管子工作在截止区。GDS上页下页返回模拟电子技术基础(b)因管子工作在放大区(c)因管子工作在可变电阻区GDS上页下页返回模拟电子技术基础3.2绝缘栅型场效应管N沟道IGFET耗尽型增强型P沟道N沟道P沟道绝缘栅型场效应管的类别上页下页返回模拟电子技术基础3.2.1增强型MOS管gsdN+N+SiO2保护层AlbP结构示意图上页下页返回模拟电子技术基础PN+sgdN+以P型半导体作衬底形成两个PN结SiO2保护层引出两个电极引出两个电极引出栅极Al从衬底引出电极两边扩散两个高浓度的N区上页下页返回模拟电子技术基础SiO2保护层PN+sgdN+Al故又称为MOS管管子组成a.金属（Metal)b.氧化物(Oxide)c.半导体(Semiconductor)上页下页返回模拟电子技术基础1.工作原理电路连接图PN+sgdN+–++–上页下页返回模拟电子技术基础(1)uGS=0,uDS≠0源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，iD=0PN+sgN+iD=0d–++–上页下页返回模拟电子技术基础PN+sgN+iD=0d–++–(2)uGS0,uDS=0产生垂直向下的电场上页下页返回模拟电子技术基础PN+sgN+iD=0g–++–电场排斥空穴吸引电子形成耗尽层上页下页返回模拟电子技术基础PN+sgN+iD=0d–++–形成导电沟道当uGS=UGS(th)时出现反型层上页下页返回模拟电子技术基础PN+sgN+iD=0d–++–UGS(th)——开启电压N沟道增强型MOS管，简称NMOSN沟道上页下页返回模拟电子技术基础PN+SGN+iD0D–++–uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度(3)当uGSUGS(th）,uDS0时(c)绝缘层内不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大上页下页返回模拟电子技术基础a.uDS升高沟道变窄PN+SGN+iD0D–++–uDS反型层变窄上页下页返回模拟电子技术基础b.当uGD=uGS–uDS=UGS(th）时PN+SGN+iD0D–++–uDS沟道在漏极端夹断(b)管子预夹断(a)iD达到最大值上页下页返回模拟电子技术基础c.当uDS进一步增大(a)iD达到最大值且恒定PN+SGN+iD0D–++–uDSPN+SGN+D–++–uDS沟道夹断区延长(b)管子进入恒流区上页下页返回模拟电子技术基础增强型NMOS管工作原理动画演示上页下页返回模拟电子技术基础2．伏安特性与参数a．输出特性可变电阻区放大区截止区输出特性曲线24061020上页下页返回模拟电子技术基础(1)可变电阻区(a)uDS较小，沟道尚未夹断(b)uDS＜uGS–|UGS(th)|(c)管子相当于受uGS控制的电阻各区的特点可变电阻区24061020上页下页返回模拟电子技术基础(2)放大区(饱和区、恒流区)(a)沟道预夹断(c)iD几乎与uDS无关(d)iD只受uGS的控制(b)uDSuGS–|UGS(th)|放大区24061020上页下页返回模拟电子技术基础截止区(a)uGS＜UGS(th)(3)截止区(b)沟道完全夹断(c)iD=024061020上页下页返回模拟电子技术基础管子工作于放大区时函数表达式2GS(th)GSD)(UuKib．转移特性曲线式中，K为与管子有关的参数。O转移特性曲线上页下页返回模拟电子技术基础[例]图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。[解]由图可知，该管的UGS（th）=2V当UGS=8V时，ID=2mA故0246812上页下页返回模拟电子技术基础3.2.2耗尽型MOS管1.MOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层P上页下页返回模拟电子技术基础绝缘层中渗入了正离子PN+sdN+出现反型层形成导电沟道g上页下页返回模拟电子技术基础导电沟道增宽a.导电沟道变窄b.耗尽型MOS管可以在uGS为正或负下工作。PN+sdN++–g上页下页返回模拟电子技术基础2．伏安特性与参数24061020可变电阻区放大区截止区a．输出特性曲线上页下页返回模拟电子技术基础b．转移特性曲线2GS(off)GSDSSD)1(UuIi函数表达式转移特性曲线O工作于放大区时上页下页返回模拟电子技术基础增强型与耗尽型管子的区别耗尽型增强型当时当时上页下页返回模拟电子技术基础MOSFET符号增强型耗尽型GSDSGDP沟道GSDN沟道GSD上页下页返回模拟电子技术基础JFET符号N沟道gdsP沟道gds上页下页返回模拟电子技术基础场效应管的特点（与双极型晶体管比较）(1)场效应管是一种电压控制器件，即通过uGS来控制iD；双极型晶体管是一种电流控制器件，即通过iB来控制iC。(2)场效应管的输入端电流几乎为零，输入电阻非常高;上页下页返回模拟电子技术基础双极型晶体管的发射结始终处于正向偏置，有一定的输入电流，基极与发射极间的输入电阻较小。(3)场效应管是利用多数（一种极性）载流子导电的;在双极型晶体管中二种极性的载流子（电子和空穴）同时参与了导电。(4)场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好，且存在零温度系数工作点。上页下页返回模拟电子技术基础(5)场效应管的结构对称，有时（除了源极和衬底在制造时已连在一起