场效应管放大电路

(4-3)
由于输出特性和转移特性都是用来描述 FET 的电压与电流之间关系，因此，转移特性可以直 接从输出特性上通过作图法求得。在 U GS(off) ≤ u GS ≤ 0 的范围内， iD 随 uGS 的增加(负数减小)近似 按平方律上升，即
i D = I DSS (1 −
u GS 2 ) U GS(off)
0
iD mA 0
P沟道JFET +3V
0
iD
uDS
U GS(off)
uGS V
P沟道 JFET
耗 尽 型
d g s
+2V +1V 0V
I DSS
uDS = uGS − U GS(off)
u DS = uGS − U GS(th)
+5V +4V
iD mA
iD mA
u DS > u GS − U GS(th)
iD mA
iD mA
输出特性
u DS = uGS − U GS(off)
0V -1V
uDS > uGS − U GS(off) N沟道 JFET
I DSS
结 型 场 效 应 管
耗 尽 型
d g s
-2V -3V -4V
uDS
uGS V
0
N沟道 JFET
U GS(off)
u DS < uGS − U GS(off)
uGS = 0时， 无 导 电 沟道
(b) u GS ≥ U GS(th) 时， 出 现 沟道
uDS 为参变量时，漏极电流 iD 随栅源电压 uGS 变化的关系曲线。漏极电流 iD 的近似表达式为 u iD = I DO ( GS − 1) 2 (uGS > U GS(th) ) (4-5) U GS(th)
4.2 重点和难点
一、重点
1．理解场效应管的结构、工作原理；场效应管与双极型三极管的区别。 2．场效应管放大电路的小信号模型分wk.baidu.com方法。
二、难点
1．正确理解结型场效应管和 MOS 场效应管的工作原理。 2．场效应管放大电路的静态分析和小信号模型分析方法(三种基本组态、微变等效电路、主要 参数计算)。
4.3 知识要点
uDS = uGS − U GS(off) ， 即 uGD = uGS − uDS = U GS(off) 时， 靠近漏极端的耗尽层出现预夹断。 这时 uDS 增
大也不会使 iD 有明显的增大。沟道中相应电位差用夹断电压 U GS(off) 表示。预夹断处 A 点的电压
35
第 4 章 场效应管放大电路
4.4.1.1 结型场效应管(JFET)
一、 N 沟道结型场效应管 1) N 沟道结型场效应管的结构 结型场效应管的结构示意图及其符号如图 4-1 所示。 其中图 4-1a 为 N 沟道 JFET 的结构示意图。 (Drain) (Drain)
d g s
(Gate)
(Gate)
g
N 沟道
d
(Source)
(4-4)
绝缘 层
SiO 2
s
N+
阻 挡层
g
d
d
铝 电极
g
增强型N沟道
b s d
二、 绝缘栅场效应管
JFET 的直流输入电阻可以高达 106~9 Ω ， 为了进 一步提高 FET 的输入电阻，可采用 MOSFET 场效管。 由于 MOSFET 的栅极处于绝缘状态， 其输入电阻可以 高达 1015 Ω 。
36
第 4 章 场效应管放大电路
当 uGS ≥ U GS(th) 导 电沟道形成 ，此 时 外加漏源电压 uDS 将产生漏极电流 iD 。 当 uDS 较小时， iD 随 uDS 增大而迅速 增 大 。 当 uDS 增 加 到 u DS = u GS − U GS(th)
N+
UDD
iD = 0
U GG
uGS 对 iD 的控制作用
a. uGS = 0 时，没有 N 型导电沟道 b. uGS ≥ U GS(th) 时，出现 N 沟道。 可以通过 uGS 控制 N 型沟道的厚度，此时在 uDS 的作用下将产生漏极电流 iD 。显然 uGS 越大导 电沟道越厚， 沟道电阻值越小通常将在 uDS 作用下开始导电时的 uGS 成为开启电压， 用 U GS(th) 表示。 也正是由于这种场效应管在 uGS ≥ U GS(th) 时才形成导电沟道，才称之为增强型场效应管。 (2) uDS 对 iD 的影响
耗尽型 N 沟道
P 衬底
半导体 材料
衬底 B
耗尽 型 P 沟道
(a)
(b)
图4-4 耗尽型 MOSFET 的结构及其符号
(a) N沟道耗尽 型MOSFET 的结构示意 图 (b) 耗尽型 MOSFET的符号
为 N 沟道耗尽型 MOSFET。 由于 uGS = 0 时就存在初始导电沟道， 所以只要加上 uDS 就能形成漏极
导 电沟道
d
N+
铝 电极
所示。耗尽型 MOSFET 的符号如图 4-4b 所示。N 沟 道耗尽型 MOSFET 的结构与增强型 MOSFET 结构相 似，不同之处在于 N 沟道耗尽型 MOSFET 在制造过 程中在栅源之间的 SiO2 中注入一些离子(图中 4-9 中用 “ ＋” 表示)，使漏源之间的导电沟道在 uGS = 0 时导电 沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。因此称 电流 iD 。 2) N 沟道耗尽型 MOSFET 的特性曲线 N 沟道耗尽型 MOSFET 的漏极电流可近似表示为
N 沟道增强 型 MOSFET
M O S 场 效 应 管
N 沟 道 M O S 管
增 强 型
d g s
0
+3V +2V +1V uDS
0
B
uGS V
N沟道MOS增强型
U GS(th)
iD mA
iD mA
uDS = uGS − U GS(off)
+ 2V
uDS > uGS − U GS(off)
0V
耗 尽 型
饱 和
⋅
N型导电 沟道
衬底 B
(c)
衬底 B
图4-3 N沟道增强型 MOSFET的基本工作原理示意图
(a)
uDS = 常数 的条件下， 从输出特性曲线上
用作图法求出。 增强型 MOSFET 的转移特性同样以
(c) u GS > U GS(th) , u DS较 小 时，i D 迅速 增 大 (d ) u GS > U GS(th) , u DS较 大 时 出 现 夹断，i D 趋于饱 和
1)可变电阻区。 2) 放大区。 3) 击穿区。 4) 截止区。 2．转移特性曲线 转移特性是指在漏源电压 uDS 为某一常数时， uGS 与 iD 之间的关系曲线，即
GS =常数
(4-2)
JFET 的输出特性曲线也分为几个区域，其曲线如表 4-1 所示。
iD = f (uGS ) u
DS = 常数
(a) (b)
(Source)
P 沟道
(c)
s
图4-1 结型场效应管的结构及符号
(a) N沟道 JFET的结构 (b) P沟道 JFET的结构
(c) JFET的 符号
如图 4-1a 所示，FET 也有三个电极分别称为栅极 G、源极 S 和漏极 D。两个 PN 结之间的 N 型区域称为 N 型导电沟道，简称 N 沟道，其符号如图 4-1c 所示。 如图 4-1b 所示为 P 型沟道 JFET 的结构示意图，其符号如图 4-1c 所示。 2) N 沟道结型场效应管的工作原理 (1) uGS 对导电沟道和 iD 的控制作用 当 uGS = 0 时， 导电沟道未受任何电场的作用， 导电沟道最宽， 当外加 uDS 时， iD 最大； 当 u GS 由零向负值增大时，在 u GS 的反向偏置电压作用下，耗尽层将加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大， 外加 uDS 时，iD 将减小；当│ u GS │＝ U GS(off) 时 ，两侧的耗尽层在中间完全合拢， 导电沟道被夹断； 相应的栅－源极之间的电压称为夹断电压 U GS(off) 。 可见， 改变 u GS 的大小可以有效控制导电沟道电 阻的大小。 3） u DS 对导电沟道和 iD 的控制作用 当 u GS 为某一固定值，且 U GS(off) < u GS < 0 时，若 u DS = 0 则 iD = 0 。增大 uDS ，沟道中的 DS 之间的电位梯度将发生变化，在电场的作用下导电沟道中形成的沟道电流 iD 也增大。当 uDS 增大到
场效应管的结构及类型 场效应管的工作原理 1．结型场效应管 转移特性和输出特性 主要参数 MOS 场效应管的结构及类型 MOS 场效应管的工作原理 2．MOS 场效应管 转移特性和输出特性 主要参数 MOS 场效应管的使用注意事项 静态分析 3．场效应管放大电路的分析方法 动态分析 场效应管的小信号模型 各参数的物理意义 三种组态放大电路的分析
34
第 4 章 场效应管放大电路
4.4 主要内容 4.4.1 场效应管
场效应管(FET)也是具有放大作用的三极管，但其工作原理与 BJT 不同。 场效应管根据结构和工作原理的不同，分为两大类：结型场效应管和金属－氧化物－半导体场 效应管，后者包括耗尽型和增强型。场效应管放大电路也有 3 种组态：共源极、共漏极和共栅极放 大电路。
半导体 材料
N+ g
增强型P沟道
b s
P 衬底 衬底 B
(a)
(b)
1 N 沟道增强型 MOSFET
1) N 沟道增强型 MOSFET 的结构
图 4-2 增强 型 MOSFET 的结构及其符 号
(a) N沟道增强 型MOSFET 的结构示 意图 (b) 增强 型MOSFET的 符号
N 沟道增强型 MOSFET 结构的示意图如图 4-2a 所示，增强型 MOSFET 的符号如图 4-2b 所示。 2 ) N 沟道增强型 MOSFET 的工作原理 (1)
式中， I DO 是 uGS = 2U GS(th) 时的漏极电流 iD 。
2
N 沟道耗尽型 MOSFET
1) N 沟道耗尽型 MOSFET 的结构 N 沟道耗尽型 MOSFET 的结构示意图如图 4-4a
SiO2 绝缘 层
s
N+
阻挡 层
g
⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅
iD = 0
s
g
d
N+
s
N+
g
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
P
d
N+
时，靠近漏极端的沟道厚度为零，出现预 夹 断 。 若 uDS 继 续 增 大 ， 使
P
u DS > (uGS − U GS(th) ) ， 导电沟道的夹断点
向源极方向移动，夹断区域向源极方向延 伸，沟道电阻增大，电流 iD 趋于饱和，基 本不随 uDS 的变化而变化，仅取决于 u GS 。 3) N 沟道增强型 MOSFET 的特性曲线 N 沟道增强型 MOSFET 的特性曲线 也分为输出特性和转移特性。输出特性同 样分为可变电阻区、放大区( 饱和区) 、击 穿区和截止区。转移特性同样是在 s
第 4 章 场效应管放大电路
第 4 章 场效应管放大电路
4.1 教学基本要求
主 要 知 识 点
场效应管的结构与类型 场效应管 场效应管的工作原理 场效应管的伏安特性及主要参数 场效应管放大器的的结构、微变等效电路 场效应管放大 电路 场效应管放大电路的静态分析 场效应管放大电路的动态分析 场效应管三种基本放大电路 √ √ √ √ √ √ 教 学 基 本 要 求 熟练掌握 正确理解 一般了解 √
iD = I DSS (1 −
uGS 2 ) U GS(off)
(U GS(off) ≤ u GS ≤ 0)
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(4-6)
第 4 章 场效应管放大电路
式中。 I DSS 是 u GS = 0 时的漏极电流。 表 4-1 各种场效应管特性比较
结 构 N 沟 道 J F E T P 沟 道 J F E T 工作 方式 符号 转移特性
d g s B
N沟道耗尽 型 MOSFET
I DSS
-1V -2V -3V
uDS
uGS V
0
U GS(off)
0
N沟道MOS耗尽型
U GS(off) 与 uDS 和 uGS 关系如下 uDS = uGS − U GS(off)
4. 结型场效应管的特性曲线 1）输出特性曲线 N 沟道结型场效应管的输出特性曲线是指当栅源电压 uGS 一定时， FET 漏极电流 iD 与漏源电压 (4-1)
uDS 之间的关系曲线用函数关系表示为 iD = f (u DS ) u
N+
衬底 B
(a)
衬底 B
(b)
UDD
U GG
iD
U DD
g
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅
P
d
N+
迅 速 增 大
U GG
iD
s
N+
g
⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅
P
(d)
d
N+
夹断区