第四章场效应管课件.ppt

1、 场效应管是利用电场效应来控制电流场效应管是利用电场效应来控制电流大小，与双极型晶体管不同，它是多子导大小，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。结型场效应管结型场效应管JFET.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS;场效应管有两种场效应管有两种:引言：引言：HOME场效应管的分类场效应管的分类)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uuuuuuuuuuuu1.1.结构及符号结构

2、及符号4.1 结型场效应管结型场效应管N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极导电沟道导电沟道HOMES源极源极NPPG(栅极栅极)D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGSHOMES源极源极PNNG(栅极栅极)D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGSHOME2.2.工作原理（以工作原理（以N N沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时NGSDUDS=0UGSNNPPIDPN结反偏，结反偏，|UGS|越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。(1)、VDS=0，G、S加负电压：HOMENGSDUDS=

3、0UGSPPUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VGS,off）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，间被夹断，这时，即使即使UDS 0V，漏极漏极电流电流ID=0A。IDHOMENGSDUDSUGS=0UGS=0且且UDS0时时耗尽区的形状耗尽区的形状PP越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID(2)、VGS=0，D、S加正电压：HOMENGSDUDSNNIDPPUGS越大耗尽区越越大耗尽区越宽，沟道越窄，电宽，沟道越窄，电阻越大。阻越大。但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当

4、于间相当于线性电阻。线性电阻。(3)、G、S加负电压，D、S加正电压：UGSHOMENGSDUDSUGSVGS,off且且UDS较大时较大时UGDVGS,off时耗尽区的形状时耗尽区的形状PP沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。IDUGSHOMENGSDUDSUGSVGS,off UGD=VGS,off时时PP漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。UDS增大则被夹断增大则被夹断区向下延伸。区向下延伸。IDUGSHOMENGSDUDSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSVGS(Th)）感应出足够多电感应出足够多电子，这里出现以子

5、，这里出现以电子导电为主的电子导电为主的N型导电沟道型导电沟道(反型层）。反型层）。感应出电子（反型层）感应出电子（反型层）VGS(Th)称为阈值电压称为阈值电压HOMEUGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGSHOMEPNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当UDS较大时，较大时，靠近靠近D区的导区的导电沟道变窄。电沟道变窄。HOMEPNNGSDUDSUGS夹断后，即夹断后，即使使UDS 继续继续增加，增加，ID

6、仍仍呈恒流特性呈恒流特性。IDUDS增加，增加，UGD=VGS(Th)时，靠近时，靠近D端的沟道被端的沟道被夹断，称为予夹断。夹断，称为予夹断。HOMEBVGS=constVDSiDVGS-VGS(TH)预夹断后，预夹断后，夹断点向源极方夹断点向源极方向移动，沟道的向移动，沟道的长度略有减小，长度略有减小，相应的沟道电阻相应的沟道电阻略有减小，结果略有减小，结果漏极电路稍有增漏极电路稍有增大大沟道长度调沟道长度调制效应制效应HOME伏安特性伏安特性IDU DS0UGS0NMOS输出特性曲线输出特性曲线非饱非饱和区和区饱和区饱和区截止区截止区1.1.增强型特性曲线增强型特性曲线HOME0IDUG

7、SVTNMOS转移特性曲线转移特性曲线HOME2,()DGSGS thiK uU耗尽型 MOS管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道 在集成电路中，许多MOS管都制作在同一衬底上，为了保证衬底与源、漏区之间的PN结反偏，衬底必须接在电路的最低电位上。衬底效应 若某些MOS管的源极不能处在电路的最低

8、电位上，则其源极与衬底极不能相连，其间就会作用着负值的电压VUS,在负值衬底电压VUS作用下，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，空间电荷区中的负离子数增多。可见，VUS和VGS一样，也具有对ID的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比VGS小。实际上，VUS对ID的影响集中反映在对VGS(th)的影响上。VUS向负值方向增大，VGS(th)也就相应增大。因而，在VGS一定时，ID就减小。但是由于VGS不变，即栅极上的正电荷量不变，因而反型层中的自由电子数就必然减小，从而引起沟道电阻增大，ID减小。HOME2.2.耗尽型耗尽型特性曲线特性曲线：耗尽型的耗尽型的MOS管管U

9、GS=0时就有导电沟道，加反时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。向电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVGSoffHOME输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0HOME双双极极型型三三极极管管场场效效应应管管结结构构NPN 型型PNP 型型C 与与 E 一一般般不不可可倒倒置置使使用用结结型型耗耗尽尽型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道绝绝缘缘栅栅增增强强型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道绝绝缘缘栅栅耗耗尽尽型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道D 与与 S 有有的的型型号号可可倒倒置置使使用用载载流流子子多多子子扩扩散散少少子子漂漂移移多多子子漂漂移移输输入入量量电电流流

10、输输入入电电压压输输入入控控制制电电流流控控制制电电流流源源 CCCS()电电压压控控制制电电流流源源 VCCS(gm)双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双双极极型型三三极极管管场场效效应应管管噪噪声声较较大大较较小小温温度度特特性性受受温温度度影影响响较较大大较较小小，有有零零温温度度系系数数点点输输入入电电阻阻几几十十欧欧姆姆几几千千欧欧姆姆 几几兆兆欧欧姆姆以以上上静静电电影影响响不不受受静静电电影影响响易易受受静静电电影影响响集集成成工工艺艺不不易易大大规规模模集集成成适适宜宜大大、超超大大规规模模集集成成双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(

11、续续)DSSI、饱和漏极电流1offGSU,2、夹断电压thGSU,3、开启电压GSR、直流电阻4mg、低频跨导1常量DSUGSDmuigDMP耗散功率最、1大允许漏极、最大漏极电流3DSBRU)(2、漏源击穿电压、极间电容2（1）直流参数）直流参数（2）交流参数）交流参数（3）极限参数）极限参数HOME4.3 主要参数主要参数表表3-2 3-2 常用场效应三极管的参数常用场效应三极管的参数 参 数型 号PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/V fM MHz3DJ2D 100 20 20-4 2 3003DJ7E 100 20 20-4 3 903DJ15

12、H 100 6 11 20 20-5.5 83DO2E 1000.35 1.2 12 25 1000CS11C 1000.3 1 -25-4 2 四四 场效应三极管的型号场效应三极管的型号1.与双极型三极管相同与双极型三极管相同：第三位字母第三位字母 J 代表结型场效应管，代表结型场效应管，O 代表绝缘栅型场效应管。代表绝缘栅型场效应管。第二位字母代表材料，第二位字母代表材料，D是是P型硅，反型层是型硅，反型层是N沟道；沟道；C是是N型型硅硅P沟道。沟道。例如例如3DJ6D是结型是结型N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。CS

13、代表场效应管，以数字代表型号的序号，代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代用字母代表同一型号中的不同规格。表同一型号中的不同规格。例如例如CS14A、CS45G等。等。场效应三极管的型号现行有两种命名方法：场效应三极管的型号现行有两种命名方法：2.第二种命名方法是第二种命名方法是CS#：双双极极型型三三极极管管场场效效应应管管结结构构NPN 型型PNP 型型C 与与 E 一一般般不不可可倒倒置置使使用用结结型型耗耗尽尽型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道绝绝缘缘栅栅增增强强型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道绝绝缘缘栅栅耗耗尽尽型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道D 与与 S 有有的的型型号号可可

14、倒倒置置使使用用载载流流子子多多子子扩扩散散少少子子漂漂移移多多子子漂漂移移输输入入量量电电流流输输入入电电压压输输入入控控制制电电流流控控制制电电流流源源 CCCS()电电压压控控制制电电流流源源 VCCS(gm)双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双双极极型型三三极极管管场场效效应应管管噪噪声声较较大大较较小小温温度度特特性性受受温温度度影影响响较较大大较较小小，有有零零温温度度系系数数点点输输入入电电阻阻几几十十欧欧姆姆几几千千欧欧姆姆 几几兆兆欧欧姆姆以以上上静静电电影影响响不不受受静静电电影影响响易易受受静静电电影影响响集集成成工工艺艺不不易易大大规规模模集集成成

15、适适宜宜大大、超超大大规规模模集集成成双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(续续)4.4场效应管静态工作点的设置方法场效应管静态工作点的设置方法 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)GGDSSDQGGGSQ)1(RIVUUVIIVU1.基本共源放大电路2.自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2GS(off)GSQDSSDQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压3.分

16、压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU2GS(th)GSQDODQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路场效应管放大电路的动态分析DSGSDmUuig近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型2.基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2

17、mS，则，则与共射电路比较。与共射电路比较。?uA3.基本共漏放大电路的动态分析ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu若Rs=3k，gm=2mS，则?uA基本共漏放大电路输出电阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?（三）（三）共栅组态基本放大器共栅组态基本放大器其等效电路如图其等效电路如图:共栅放大器电路如图共栅放大器电路如图:与共基放大器类似与共基放大器类似:输入阻抗低输入阻抗低输出阻抗高输出阻抗高电压增益高电压增益高-+-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24.共栅放大器共栅放大器典型电路典型电路电压增益为电压增益为:d

18、sDDdsmiDdioUrRRrgURIUUA1)1(式中式中:RD=RD/RL共栅放大器共栅放大器等效等效电路电路(电流源电流源)共栅放大器共栅放大器等效等效电路电路(电压源电压源):DmUDdsRgARr则时当)1(DdsdsmidRrrgUIri=Rs/ri输入电阻为输入电阻为:-gm rds Uirds+-Uo+GUiRDRsSDId+-3-22.共栅放大器共栅放大器等效等效电路电路(电压源电压源)ririri=Ui/Id 1/gm当当rds RD,gm rds 1时：时：所以：所以：ri Rs/（1/gm）输出电阻为输出电阻为:ro RD/rds RDro(四四)三种接法基本放大电路

19、的比较三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下组态对应关系组态对应关系 CE/CB/CCCE/CB/CC CS/CG/CDCS/CG/CDieLULieLUieLU+=CB1)1(=CC-=CEhRhARhhRhAhRhAfefefefe：DmUsmsmUsmDmU+=CG1 1=CD 1=CSRgARgRgARgRgA：电压增益电压增益三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下组态对应关系组态对应关系 CE/CB/CCCE/CB/CC CS/CG/CDCS/CG/CD输入电阻输入电阻Ri)+/1/(CB:CC:CE:ieehfehRCS：RGC

20、D：RGCG：Rs/(1/gm)ieb/hR )1(/LiebRhhRfe三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下组态对应关系组态对应关系 CE/CB/CCCE/CB/CC CS/CG/CDCS/CG/CD输出电阻输出电阻Ro cfes/bieec CB)1+/(CCCERhRRhRR：CS：rds/RDCD：Rs/(1/gm)CG：RD表表3-3 FET 3-3 FET 三种组态性能比较三种组态性能比较参数参数组态组态AUSriro共源共源（有（有 Cs）高高(-15)高高(5M)较高较高(9.9k)共漏共漏低低(0.94)高高(5M)低低(0.63k)共栅共栅高高(15)低低(

21、0.67k)较高较高(9.9k)以上表格中参数是在下列条件以上表格中参数是在下列条件下求得的：下求得的：gm=1.5mA;rds=100k RD=Rs=10k;RG=5M 1.场效应管的种类：场效应管的种类：结型结型(分分N沟道和沟道和P沟道两种和绝缘栅型沟道两种和绝缘栅型(又称又称M0SFET）；）；分分N沟道耗尽型和增强型沟道耗尽型和增强型,P沟道耗尽型和增强型两大类。沟道耗尽型和增强型两大类。2.场效应管特点：场效应管特点：是单极型电压控制器件；是单极型电压控制器件；是输入电阻极高，一般可达是输入电阻极高，一般可达102M0以上，因而可组成多级以上，因而可组成多级放大器的输入级，同时在作

22、中间级放大器时，不需考虑对放大器的输入级，同时在作中间级放大器时，不需考虑对前级的负载作用。前级的负载作用。本章小结本章小结三种基本组态共源、共漏和共栅三种基本组态共源、共漏和共栅)，其特性和双，其特性和双极型晶体三极管的三种基本组态极型晶体三极管的三种基本组态(共射、共集和共共射、共集和共基相似。基相似。场效应管放大器的交流分析与双极型晶体三极管场效应管放大器的交流分析与双极型晶体三极管放大器基本相似；放大器基本相似；场效应管的直流偏置电路分析有其不同之处。场效应管的直流偏置电路分析有其不同之处。本章小结本章小结3.场效应管放大器也可连接成三种基本组态：场效应管放大器也可连接成三种基本组态：作业：2，3，5，7，8，10