第9讲 场效应管及基本放大电路(1)

第九讲第五章教学要求重点与难点1、了解场效应管（FET）的结构及工作原理，掌握其外特性，在实际应用中正确选择FET的参数；2、掌握FET基本放大电路的静态工作点的设置，掌握共源和共漏基本放大电路的等效电路分析法；3、掌握FET与BJT放大电路各自的特点及其应用场合；4、了解FET放大电路的频率响应。重点：FET的外特性，静态工作点的设置，共源和共漏放大电路的基本分析方法，FET基本放大电路的特点及其应用。难点：绝缘栅型场效应管的工作原理，频率响应。本次课教学要求•1、了解结型场效应管（JFET）的结构及工作原理；•2、了解绝缘栅型场效应管（IGFET）的结构及工作原理；•3、掌握FET的外特性及参数，在实际应用中正确选择FET；•4、了解FET和BJT各自的特点。第5章场效应管及其放大电路5.1场效应管（FET）5.2场效应管基本放大电路5.1场效应管（FET）5.1.1结型场效应管5.1.2绝缘栅型场效应管5.1.3场效应管的主要参数5.1.4FET与BJT的比较场效应管的分类沟道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PNPNPN5.1.1结型场效应管（JFET）结构及符号场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d）。导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图N沟道P沟道JFET结构演示1、结型场效应管的工作原理（1）栅-源电压对导电沟道的影响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）1、结型场效应管的工作原理（续）（2）漏-源电压对导电沟道的影响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）JFET工作原理演示2、结型场效应管的特性曲线（1）转移特性常量DS)(GSDUufi夹断电压漏极饱和电流场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。2GS(off)GSDSSD)1(UuIi在恒流区时为什么必须用转移特性描述uGS对iD的控制作用？2、结型场效应管的特性曲线（续）（2）输出特性常量GS)(DSDUufig-s电压控制d-s的等效电阻常量DSGSDmUuig预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：JFET小结综上分析可知•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uGS控制•预夹断前iD与uDS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。5.1.2绝缘栅场效应管（IGFET）分类：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道结构3个电极：漏极D，源极S，栅极G1个衬底引脚（B）。符号：----N++NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底N沟道增强型管P沟道增强型管5.1.2绝缘栅型场效应管（IGFET）导电沟道的形成SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启(MetalOxideSemiconductorFET)MOSFET。通常称为MOS管uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。N沟道增强型MOS管结构演示1、绝缘栅型场效应管的工作原理（1）栅-源电压对导电沟道的影响当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。当uS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。---P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid栅源电压uGS对沟道的影响演示1、绝缘栅型场效应管的工作原理（续）（2）漏-源电压对导电沟道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漏源电压uDS对沟道的影响演示增强型NMOS管工作原理动画演示2、绝缘栅型场效应管的特性曲线可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS（th）输出特性曲线iD=f(uDS)uGS=const转移特性曲线iD=f(uGS)uDS=constGS(th)GSU2uDDO2GS(th)GSDODiI)1Uu(Ii＝＝其中，在恒流区3、N沟道耗尽型MOSFET特点：与JFET相似当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。不同点：栅压可正可负夹断电压（UGS（off））——沟道刚刚消失所需的栅源电压UGS。----g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN++++++++++++----sbgd结构：在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。增强型与耗尽型MOSFET比较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，4、P沟道MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。各类FET特性曲线比较PP.135-136图5.1.11类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP－i－uDSOuGS＝0V＋1VD＋2V＋3VuGS＝UP＝＋4VuDSOuGS＝0V－1ViD－2V－3VuGS＝UP＝－4VuDSOuGS＝5ViD3VuGS＝UT＝＋2V4VuGSiDOUTGSD+－iD－+GSD+－iD－+GSD+－iD－+BJFETP沟道JFETN沟道增强型NMOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS＝0ViD－2VuGS＝UP＝－4V＋2V－iD－5VuGS＝UT＝－3VO－uDS－4VuGS＝－6V－iD－2VuGS＝UP＝＋4VO－uDS＋2VuGS＝0VGSD+－iDB+－GSD+－iD－+BGSD+－iDB－+耗尽型NMOS增强型PMOS耗尽型PMOS图5.1.11（续）5.1.3场效应管的主要参数（P137）1．直流参数(1)夹断电压UGS(off)(3)饱和漏极电流)μA50(I)V10(UGSGS(off)DDSuU测试值常数0U)U(UDDSSGSGS(off)DSiI常数(4)直流输入电阻RGS)V10(U)V0(UGGSGSGSDSIUR常数常数)μA5(I)V10(UGSGS(th)DDSuU测试值常数(2)开启电压UGS(th)5.1.3场效应管的主要参数（续）2．交流参数(1)跨导gm也称为互导。其定义为常数DSUGSDmudidg(2)极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cdsgm的计算当管子工作在放大区时得管子的跨导由2GS(off)GSDSSD)Uu1(IiGSDmudidg])Uu1(I[udd2GS(off)GSDSSGS)UU1(UI2GS(off)GSQGS(off)DSSDQDSSGS(off)IIU2可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。同理，对于增强型FET，有DQDOGS(th)mIIU2g5.1.3场效应管的主要参数（续）3.极限参数(1)漏极最大允许耗散功率PDSM(2)最大漏极电流IDM(3)栅源击穿电压U（BR）GS(4)漏源击穿电压U（BR）DS5.1.4FET的特点及使用注意事项2、使用注意事项(1)外加电压极性：N沟道：UDS为+；UGS：增强型+，耗尽型-P沟道相反结构对称者，漏极和源极可以互换。(2)MOS管一定要注意防感应电压击穿（任何时候注意避免栅极开路）。1、特点压控型器件，Ri特大，偏置灵活，多子导电，温度稳定性好，抗辐射，功耗小，可大规模集成。课外练习PP.150~1515.1,5.2（直接做在书本上）END