模拟电子电路第三章场效应管及其基本电路.

2019年12月24日星期二模拟电子线路1第三章场效应管及其基本电路（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。omoiURRAu、、、2019年12月24日星期二模拟电子线路2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。场效应管FET(FieldEffectTransistor)结型场效应管JFET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的扩散运动形成电流。2019年12月24日星期二模拟电子线路3JFET：利用栅源电压（输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。IGFET：利用栅源电压（输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。FET输入电压输出电流2019年12月24日星期二模拟电子线路4N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：2019年12月24日星期二模拟电子线路53―1结型场效应管3―1―1结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构.avi2019年12月24日星期二模拟电子线路6P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向2019年12月24日星期二模拟电子线路7DGSDGS(a)N型沟道P＋P＋N型沟道源极栅极漏极DGS(b)P型沟道N＋N＋P型沟道源极栅极漏极DGS(c)N沟道(d)P沟道图3-1结型场效应管的结构示意图和符号2019年12月24日星期二模拟电子线路83.1.2工作原理N型沟道DGS(a)UGS＝0P＋P＋ID＝0N型沟道DGS(b)UGS＜0P＋P＋ID＝0UGSDGS(c)UGS＝－UPP＋P＋ID＝0UGS图4-2当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意1.UGS对导电沟道的影响2019年12月24日星期二模拟电子线路9NDGSPP(a)UGS=0，沟道最宽图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图2019年12月24日星期二模拟电子线路10(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：︱UGS︱↑→PN结耗尽层宽度↑→沟道宽度↓2019年12月24日星期二模拟电子线路11(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff——夹断电压2019年12月24日星期二模拟电子线路12图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)2019年12月24日星期二模拟电子线路132.ID与UDS、UGS之间的关系NDGS(a)UGS＜0,UDG＜|UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b)UGS＜0,UDG＜|UP|预夹断DGSUDSUGSIDPPIS(c)UGS≤UP,UDG＞|UP|夹断图3-3UDS对导电沟道和ID的影响2019年12月24日星期二模拟电子线路143―1―2结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线2)1(GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。恒流区中：uGS≤0，iD≥02019年12月24日星期二模拟电子线路152.转移特性曲线常数DSUGSDUfI)(iD/mA654321uGS/VUDS＞4VUP＝－4V0－1－2－3－4IDSS图4-5N沟道结型场效应管的转移特性曲线21PGSDSSDUUII2019年12月24日星期二模拟电子线路16根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。2019年12月24日星期二模拟电子线路17二、输出特性曲线1.可变电阻区iD的大小同时受uGS和uDS的控制。栅、漏间电压uGDUGSoff（或uDSuGS-UGSoff）栅、源间电压uGSUGSoff预夹断前所对应的区域。uGS≤0，uDS≥02019年12月24日星期二模拟电子线路18图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区－2V－1.5V－1VUDS＝UGS－UGSoff515流区击穿区UGS＝0V(b)UGSoff－0.5V2019年12月24日星期二模拟电子线路19当uDS很小时，uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时，uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。2019年12月24日星期二模拟电子线路202.恒流区iD的大小几乎不受uDS的控制。预夹断后所对应的区域。栅、漏间电压uGDUGSoff（或uDSuGS-UGSoff）栅、源间电压uGSUGSoff2019年12月24日星期二模拟电子线路21(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。(2)uGS固定，uDS增大，iD增大极小。2019年12月24日星期二模拟电子线路224.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。当UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3.截止区2019年12月24日星期二模拟电子线路23图3―4uDSDGS(a)UDSID＞0UGSDGS(b)UDSUGS沟道局部夹断ID＝IDSSPPPP截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区)()()()()(offGSGSoffGSGSoffGSDSGSoffGSDSGSoffGSDSGSuuuuuuuuuuuuuGD(2V)S(0V)-4-5-6-7.5VuoffGS7)(设2019年12月24日星期二模拟电子线路24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。#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。2019年12月24日星期二模拟电子线路253―2绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属——氧化物——半导体场效应管，用符号MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介2019年12月24日星期二模拟电子线路26(a)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底N＋N＋L耗尽层A1层SGD图3―5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图2019年12月24日星期二模拟电子线路27MOSFETN沟道P沟道增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类2019年12月24日星期二模拟电子线路283―2―1绝缘栅场效应管的结构3―2―2N沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理2019年12月24日星期二模拟电子线路29图3―6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号B(b)N＋UDS导电沟道P型衬底UGSN＋DGS(c)B2019年12月24日星期二模拟电子线路30二、转移特性(1)当uGSUGSth时，iD=0。(2)当uGSUGSth时，iD0，二者符合平方律关系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD≥02019年12月24日星期二模拟电子线路31•式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)；•μn——沟道电子运动的迁移率；•Cox——单位面积栅极电容；•W——沟道宽度；•L——沟道长度(见图3―5(a))；•W/L——MOS管的宽长比。•在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。2019年12月24日星期二模拟电子线路32iD0)(VuGSGSthU(a).转移特征曲线:2019年12月24日星期二模拟电子线路33三、输出特性(1)截止区uDS≥0uGSUGSth导电沟道未形成，iD=0。(2)可变电阻区预夹断前所对应的区域。uGSUGSthuGDUGSth（或uDSuGS-UGSth）2019年12月24日星期二模拟电子线路34图3―8(a)输出特性；(b)厄尔利电压2019年12月24日星期二模拟电子线路35(3)恒流区·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。预夹断后所对应的区域。uGSUGSthuGDUGSth（或uDSuGS-UGSth）2019年12月24日星期二模拟电子线路36GD(1V)S(0V)432.51.5设VuGSth2截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区GSthGSGSthGSGSthDSGSGSthDSGSGSthDSGSuuuuuuuuuuuuu2019年12月24日星期二模拟电子线路373―2―3N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)20)1(GSoffGSDDUuIi式中：ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。)(220GSoffoxnDULWCuI2019年12月24日星期二模拟电子线路38iDuGSUGSoff0(a)ID0图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号2019年12月24日星期二模拟电子线路39图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS＝＋3V＋6V－3VGSoffGSDSUuu2019年12月24日星期二模拟电子线路40图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB2019年12月24日星期二模拟电子线路413―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型FET图3―11各种场效应管的符号对比2019年12月24日星期二模拟电子线路42DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型MOSFET图3―11各种场效应管的符号对比2019年12月24日星期二模拟电子线路43iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：0DiP沟道：0Di2019年12月24日星期二模拟电子线路44图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性可变电阻区01234560123－1－2－3－3－4－5－6－7－8－9结型P沟耗尽型MOSP沟