01一月20231第3章場效應晶體管及其放大電路3.1場效應晶體管3.1.1結(jié)型場效應管一、結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)二、結(jié)型場效應管的工作原理三、特性曲線1.輸出特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性曲線3.1.2絕緣柵場效應管(IGFET)一、N溝道增強型MOSFET二、N溝道耗盡型MOSFET01一月202323.1.3場效應管的參數(shù)一、直流參數(shù)

二、極限參數(shù)三、交流參數(shù)3.2場效應管工作狀態(tài)分析及其偏置電路3.2.1場效應管工作狀態(tài)分析一、各種場效應管的符號對比二、各種場效應管的特性對比三、BJT與FET工作狀態(tài)的對比四、場效應管工作狀態(tài)的判斷方法01一月202333.2.2場效應管偏置電路一、自偏置電路二、分壓偏置電路3.3場效應管放大電路3.3.1場效應管的低頻小信號模型共源放大器共漏放大器作業(yè)01一月20234第3章場效應晶體管及其放大電路（1）了解場效應管內(nèi)部工作原理及性能特點。（2）掌握場效應管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場效應管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)（）的分析方法。01一月20235場效應晶體管（場效應管）利用多子的漂移運動形成電流。場效應管FET(FieldEffectTransistor)結(jié)型場效應管JFET(JunctionFET)絕緣柵場效應管IGFET(InsulatedGateFET)雙極型晶體管BJT(BipolarJunctionTransistor)主要是利用基區(qū)非平衡少子的擴散運動形成電流。01一月202363.1.1結(jié)型場效應管DSG(a)N溝道JFET圖結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號Gate柵極Source源極Drain漏極箭頭方向表示柵源間PN結(jié)若加正向偏置電壓時柵極電流的實際流動方向ID實際流向結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu).avi一、結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)3.1場效應晶體管NDGSPP01一月20237DSGIDICNDGSPPNJFETNPNBJT01一月20238DSG(b)P溝道ID實際流向圖結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號PDGSNNICPNPBJT01一月20239JFET/FET與BJT結(jié)構(gòu)、特性相同點DSGNJFET結(jié)構(gòu)上相當于NPNBJT電極G-BS-ED-S相對應N溝道JFETiD>001一月202310NDGSPP(a)UGS=0，溝道最寬圖柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖二、結(jié)型場效應管的工作原理01一月202311(b)UGS負壓增大，溝道變窄DSPPUGS圖柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖橫向電場作用：︱UGS︱↑↑→溝道寬度→PN結(jié)耗盡層寬度↓01一月202312(c)UGS負壓進一步增大，溝道夾斷DSPPUGSUGSoff——夾斷電壓圖柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖01一月202313DGSUDSUGSIDPP>0溝道預夾斷DGS(a)uGD>UGSoff（預夾斷前）UDSID＞0UGSPP

圖3.1.3uDS對導電溝道的影響

uGD=UGSoff（預夾斷時）縱向電場作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上窄下寬）01一月202314由于夾斷點與源極間的溝道長度略有縮短，呈現(xiàn)的溝道電阻值也就略有減小，且夾斷點與源極間的電壓不變。DGSUDSUGS溝道局部夾斷IDPP幾乎不變(b)

uGD<UGSoff（預夾斷后）結(jié)型場效應三極管漏源電壓對溝道的控制作用.avi01一月202315溝道夾斷溝道預夾斷溝道局部夾斷01一月202316三、特性曲線1.輸出特性曲線uGS≤0，uDS≥0圖3.1.4(a)JFET的輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V漏極輸出特性曲線.avi(1)可變電阻區(qū)uGD>UGSoffuGS>UGSoff;或uDS<uGS-UGSoff01一月202317圖3.1.4(a)JFET的輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5V(2)恒流區(qū)或uDS>uGS-UGSoffuGS>UGSoff;uGD<UGSoffiD的大小幾乎不受uDS的控制。uGS對iD的控制能力很強。01一月202318圖3.1.4(a)JFET的輸出特性曲線1234iD/mA01020uDS/V可變電阻區(qū)恒截止區(qū)－2V－1.5V－1VuDS＝uGS－UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS＝0VUGSoff－0.5ViD=0(3)截止區(qū)UGS<UGSoff(4)擊穿區(qū)uDG(=uDS-uGS)增大引起PN結(jié)擊穿。01一月2023192.轉(zhuǎn)移特性曲線uGS≤0，iD≥0從輸出特性曲線作轉(zhuǎn)移特性曲線示意圖轉(zhuǎn)移特性曲線.aviuGS/V0-1-2-31234IDSSUGSoffiD/mA1234iD/mA01020uDS/V恒-1VuDS=uGS-UGSoff515流區(qū)擊穿區(qū)UGS=0VUGSoff-0.5V-1.5V-2V01一月202320uGS/V0-1-2-312345IDSSUGSoffiD/mA為保證場效應管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓。圖3.1.4(b)JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線恒流區(qū)中：IDSS飽和電流，

表示uGS=0時的iD值；UGSoff夾斷電壓，

表示uGS=UGSoff時iD=0。01一月202321iD0uDSNJFET工作在不同狀態(tài)的條件說明圖NJFETNPNBJT01一月2023223.1.2絕緣柵場效應管(IGFET)柵極與溝道之間隔了一層很薄的絕緣體，其阻抗比JFET的反偏PN結(jié)的阻抗更大。功耗低，集成度高。絕緣體一般為二氧化硅（SiO2），這種IGFET稱為金屬——氧化物——半導體場效應管，用符號MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，還有以氮化硅為絕緣體的MNSFET等。1.簡介01一月202323MOSFETN溝道P溝道增強型N-EMOSFET耗盡型增強型耗盡型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET2.分類01一月202324一、N溝道增強型MOSFET(EnhancementNMOSFET)1.N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)源極柵極漏極氧化層(SiO2)BWP型襯底N＋N＋L耗盡層A1層SGD圖3.1.5MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖01一月202325圖3.1.5MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖(b)剖面圖SGDN＋N＋P型硅襯底絕緣層(SiO2)襯底引線B半導體N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號.avi金屬(A1)01一月202326UGS=0，導電溝道未形成PN結(jié)(耗盡層)N＋N＋P型襯底DSG2.N溝道增強型MOSFET的工作原理01一月202327B(a)UGS<UGSth，導電溝道未形成N＋UGSN＋PN結(jié)(耗盡層)P型襯底圖3.1.6N溝道增強型MOS場效應管的溝道形成及符號開啟電壓：UGSthDSG01一月202328BN＋導電溝道（反型層）P型襯底UGSN＋DGS(c)符號B襯底的箭頭方向表示PN結(jié)若加正向電壓時的電流方向(b)UGS>UGSth，導電溝道已形成柵源電壓VGS對溝道的影響.avi圖3.1.6N溝道增強型MOS場效應管的溝道形成及符號01一月202329

uDS增大，溝道預夾斷前情況BUDSP型襯底UGSN+N+01一月202330圖3.1.8uDS增大，溝道預夾斷時情況BUDSP型襯底UGSN+N+預夾斷01一月202331

uDS增大，溝道預夾斷后情況BUDSP型襯底UGSN+N+漏源電壓VDS對溝道的影響.avi01一月202332

圖溝增強型MOSFET的輸出特性曲線iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)恒流區(qū)區(qū)穿擊(1)截止區(qū)uGS<UGSth(2)可變電阻區(qū)uGS>UGSth;或uDS<uGS-UGSthuGD>UGSth3.N溝增強型MOSFET的輸出特性曲線01一月202333

圖溝增強型MOSFET的輸出特性曲線iD0uDSUGS＝6V截止區(qū)4V3V2V5V可變電阻區(qū)恒流區(qū)區(qū)穿擊(3)恒流區(qū)uGS>UGSth;uGD<UGSth或uDS>uGS-UGSth01一月202334uGS/V032112345UGSthiD/mA圖3.1.7N溝道增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線4.N溝增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線恒流區(qū)01一月202335二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET)UGS=0，導電溝道已形成BN＋導電溝道（反型層）P型襯底N＋01一月202336圖溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)電路符號01一月202337(c)DGSB圖溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)電路符號01一月2023383.1.3場效應管的參數(shù)一、直流參數(shù)1.飽和漏極電流IDSS：2.夾斷電壓UGSoff：當柵源電壓uGS=UGSoff時，iD=0。對應uGS=0時的漏極電流。3.開啟電壓UGSth。4.輸入電阻RGSJFET，RGS在108~1012Ω之間;MOSFET，RGS在1010~1015Ω之間。通常認為RGS→∞。01一月202339

二、極限參數(shù)(1)柵源擊穿電壓U(BR)GSO。(2)漏源擊穿電壓U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS01一月202340三、交流參數(shù)1.跨導gm對JFET和DMOSFET那么對EMOSFET那么01一月2023412.輸出電阻rds恒流區(qū)的rds可以用下式計算UA為厄爾利電壓。01一月202342DGSDGSN溝道P溝道JFET一、各種場效應管的符號對比3.2.1場效應管工作狀態(tài)分析3.2場效應管工作狀態(tài)分析及其偏置電路01一月202343DSGBDSGBDSGBDSGBN溝道P溝道增強型N溝道P溝道耗盡型MOSFET01一月202344JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對耗盡層厚度的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。MOSFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對半導體表面感生電荷量的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。FET輸入電壓輸出電流GSSDuGSiD二、各種場效應管的特性對比01一月202345iDuGSUGSoff0IDSSIDSSUGSth結(jié)型P溝耗盡型P溝增強型P溝MOS耗盡型N溝增強型N溝MOS結(jié)型N溝N溝道：P溝道：圖3.2.1(a)各種場效應管的轉(zhuǎn)移特性對比01一月202346N溝道：P溝道：uDSiD0線性可變電阻區(qū)01234560123-1-2-3-3-4-5-6-7-8-9結(jié)型P溝耗盡型MOSP溝-3-4-5-60-1-20123-1-2-33456789結(jié)型N溝耗盡型增強型MOSN溝UGS/V增強型UGS/V圖3.2.1(b)各種場效應管的輸出特性對比01一月202347放大飽和/可變電阻截止NPN-BJTPNP-BJTP-FETN-FET三、BJT與FET工作狀態(tài)的對比01一月202348四、場效應管工作狀態(tài)的判斷方法1.假設處于截止狀態(tài)2.假設處于放大狀態(tài)或或指導思想：假設處于某一狀態(tài)，然后用計算結(jié)果驗證假設是否成立。01一月202349RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG例3.2.1判斷圖所示的場效應管電路，管子的IDSS=3mA,UGSoff=-5V，管子工作在什么區(qū)間？圖3.2.2場效應管電路1.假設處于截止狀態(tài)應有而2.假設處于放大狀態(tài)應有01一月202350而RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG滿足故管子工作在放大區(qū)。圖3.2.2場效應管電路01一月2023513.2.2場效應管偏置電路偏置電路自偏置電路分壓偏置電路確定直流工作點方法圖解法解析法01一月202352

圖場效應管偏置電路RDUDDRSuiRGVRDUDDRSuiRG2RG1(b)分壓偏置電路(a)自偏置電路只適宜JFET、DMOSFET適宜所有FET01一月202353一、自偏置電路柵源回路直流負載線方程RDUDDRSuiRGV圖3.2.4(a)圖解法求自偏壓電路的直流工作點Q01一月202354解析法：由電流方程及柵源直流負載線方程聯(lián)立求解RDUDDRSuiRGV01一月202355圖3.2.4(b)圖解法求分壓偏置電路直流工作點二、分壓偏置電路柵源回路直流負載線方程RDUDDRSuiRG2RG101一月202356RDUDDRSuiRG2RG1解析法：由電流方程及柵源直流負載線方程聯(lián)立求解01一月202357

若輸入為正弦量，上式可改寫為通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，則3.3.1場效應管的低頻小信號模型3.3場效應管放大電路01一月202358rdsgmUgsUdsIdDS圖3.3.1場效應管低頻小信號模型GS01一月202359共源放大器圖3.3.2(a)共源放大器電路UiC2C1RDRG1RSUDD=20VRG2+150k50k2k10k++RL1MUoRG31MC3例共源放大電路如圖（a）所示，場效應管的gm=5mA/V，分析該電路的交流性能指標Au、Ri和RO。01一月202360圖3.3.2(b)共源放大器電路低頻小信號等效電路rdsDSUoRDRL+_+_UiGRG3RG2RG1gmUgs01一月202361ui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V圖3.3.2(a)含有源極電阻的共源放大電路例3.3.2試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。01一月202362圖3.3.2(b)含有源極電阻的共源放大電路的等效電路gmUgsDSUoRS1RDRLrds+_+_UiGRG3RG2RG101一月202363C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V圖3.3.4(a)共漏電路共漏放大器01一月202364圖3.3.4(b)共漏電路等效電路UoRLRSSDIdgmUgs+_UiGRG3RG2RG1+_01一月202365UoRLRSSDIdgmUgs+_UiG