场效应管及其基本放大电路

i D 求全微分: diD vGS
vGS
i D v DS
V DS
i D V DS dvGS v DS
VGS
dvDS
gm 低频跨导
1 rds
漏极与源极间等效电阻
VGS
1 diD gm dvGS dvDS rds 变化量 1 id gm v gs vds rds
ID
--- ---
5
N沟道增强型MOSFET
2）工作原理
（1）栅源电压vGS的控制作用
控制导电沟道电阻。
（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDS iD 沟道电位梯度
靠近漏极d处的电位升高 电场强度减小 沟道变薄 整个沟道呈楔形分布
当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏 极处出现预夹断。 在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT 预夹断后，vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 vDS/V 6
vGS iD I DO ( 1)2 VT
IDO是vGS＝2VT时的iD
8
3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （2）转移特性 i D f (vGS ) vDS const.
ID /mA
4 3 2 1 6V
N沟道增强型MOSFET
ID /mA
3 2 1
转移特性
VGS =5V
4V 3V 2V
11
2.N沟道耗尽型MOSFET
2） V-I 特性曲线及大信号特性方程
vGS 2 饱和区：iD I DSS ( 1 ) VP
IDSS :零栅压的漏极电流。 饱和漏极电流。
12
P沟道MOSFET
vGS < 0
vGS可正可负
13
§3.1 场效应管
二、结型场效应管（JFET） 1. 结构
漏极D(d)
rds vDS iD
VGS
饱和区rds→∞
⑵ 低频互导gm
iD gm vGS
VDS
反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用。 21
四、FET的主要参数
3.极限参数
⑴ 最大漏极电流IDM
⑵ 最大耗散功率PDM ⑶ 最大漏源电压V（BR）DS ⑷ 最大栅源电压V（BR）GS
22
绝缘栅型场效应管特性曲线
解： VGSQ
假设工作在饱和区
IDQ Kn (VGS VT )2 (0.2)( 2 1)2 mA 0.2mA
VDSQ VDD I D Rd [5 (0.2)(15)]V 2V
满足 VDS (VGS VT )
假设成立，结果即为所求。
32
P79:静态工作点的计算步骤
较小 易受静电影响
制造工艺
不宜大规模集成
适宜大规模和超大 规模集成
26
选择填空（填①、②…字样）
1．晶体管是依靠 ⑤ 导电来工作的 ⑦ 器件；场效应管是 依靠 ① 导电来工作的 ⑥ 器件。 ①多数载流子，②少数载流子，③电子，④空穴，⑤多数载流 子和少数载流子，⑥单极型，⑦双极型，⑧无极型 2．晶体管是 ② ；场效应管是 ① 。
①电压控制器件；②电流控制器件
3．晶体管的输入电阻比场效应管的输入电阻 ①大得多；②差不多；③小得多 4．放大电路中的晶体管应工作在 ② ；场效应管应工作在 ① 。 ③ 。
①饱和区，②放大区，③截止区，④夹断区，⑤可变电阻区
27
作业：3.1
28
§3.2 场效应管单管放大电路
一、静态工作点的计算：
0
5
10
15
0
VT 2
4
6
VGS / V
9
2.N沟道耗尽型MOSFET
1） 结构和工作原理（N沟道）
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
10
2.N沟道耗尽型MOSFET
特点： 当vGS=0时，就有沟道， 加入vDS，就有iD。 当vGS＞0时，沟道增宽， iD进一步增加。 当vGS＜0时，沟道变窄， iD减小。 夹断电压（ VP）——沟道刚刚消失所需的栅 源电压vGS。
(VP vGS 0)
20
四、场效应管的主要参数
1.直流参数 ⑴ 开启电压VT （增强型参数）
V 夹断电压VP （耗尽型参数） ⑵ DS为一固定数值时，能产生ID所需要的最小 |VGS | 值。
⑶ 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数） VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流时的 |VGS | 值。 ⑷直流输入电阻R |VP |时的漏极电流。 VGS = 0时， VDS >GS （109Ω～1015Ω ） 2.交流参数 ⑴ 输出电阻rds
二、 图解分析
§3.2 场效应管单管放大电路
VGSQ = VGG
iD f ( vDS ) vGS Q
v VDD i D Rd
DS
Q
负载开路，交流负载线 与直流负载线相同
33
三、小信号模型分析
（1）模型 场效应管输出特性表达式：i D f ( vGS , v DS )
其中： i D
VGG
N沟道增强型MOSFET
i D f (v DS ) vGS const.
① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形 成，iD＝0，为截止工作状态。 ② 可变电阻区 vDS≤（vGS－VT）
iD 2Kn ( vGS VT ) vDS
Kn电导常数 单位：mA/V2 ③ 饱和区 （恒流区又称放大区）
1
§3.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构 源极 S
（N沟道）
符号
D 漏极
G 栅极
SiO2绝缘层
N+
N+
D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b P型衬底 S(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底 B 符号中箭头的方向表示由P(衬底)指向N(沟道)，三条垂 直短线表示在未加适当栅压前漏极与源极之间无导电沟道。 由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。
VDD s VGG g d iD 迅 速 增 大
耗尽层 N 型(感生)沟道 P B 衬底引线
VDD s VGG g d iD 饱 和
N
＋
N
＋
N
＋
N
＋
N 型(感生)沟道 P B 衬底引线
夹断区 P B 衬底引线
4
N沟道增强型MOSFET
2）工作原理
（1）栅源电压vGS的控制作用
a.当vGS≤0时 无导电沟道， d、s间加电压 时，也无电流产生。 b.当0<vGS <VT 时 产生电场，但未形成导电沟道 （感生沟道），d、s间加电压后，没 有电流产生。 c.当vGS >VT 时 反型层，也叫感生沟道。 •VT 称为开启电压：刚刚产生沟道 所需的栅源电压vGS。vGS越大，反 型层越宽，导电沟道电阻越小。 VDD VGG
N型导电沟道 符号：
耗尽层 P+
栅极G(g) P+ N沟道 P沟道
N
源极S(s)
15
二、JFET
2. 工作原理
（vGS=0）
（以N沟道JFET为例）
① vGS对导电沟道及iD的控制作用
1）当vGS=0时，导电沟道最宽。
d dd
2）当│vGS│↑时，PN结反偏， 耗尽层变宽，导电沟道变窄， 沟道电阻增大。 3）当│vGS│↑到一定值时 ， 沟道夹断。
§3.1 场效应管
场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是 一种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导 电，因此它是单极型器件。
MOSFET
绝缘栅型场效应管
增强型
耗尽型 N沟道 P沟道
FET分类：
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
JFET
结型场效应管
耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道
共源极放大电路 求ID、VDS、VGS
直流通路
30
§3.2 场效应管单管放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算
（1）简单的共源极放大电路（N沟道）
VGS Rg2 Rg1 Rg2 VDD
须满足VGS > VT ，否则工作在截止区 假设工作在饱和区，即 VDS (VGS VT )
I D Kn (VGS VT )2
§3.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构（N沟道）L ：沟道长度 通常 W > L
W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度
3
N沟道增强型MOSFET
2）工作原理
s 二氧化硅 N
＋
g d
iD＝0 铝
s
VGG g d
iD＝0
N
＋
N
＋
N
＋
耗尽层 P B 衬底引线
1)增强型MOS管
开启 电压
2)耗尽型MOS管
23
各种放大器件电路性能比较
24
如何区分FET管？ N、P沟道的区分： vDS>0 用vDS来区分 vDS<0 耗尽型、增强型的区分： JFET中： vGS 和vDS方向相反 MOSFET中 vGS 和vDS方向相同
P+ g
d P+
N沟道 P沟道
N s
g
p+
vGD=vGS-vDS =VP
结型场效应管的缺点：
VGG
p+
VDD
1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上， 但在某些场合仍嫌不够高。
2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的 电阻会显著下降。 3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的 栅极电流。
s
18
iD=0
iD迅速增大
图 示 ： 改 变 vDS 时 导 电 沟 道 的 变 化
35
三、小信号模型分析
1 id gm v gs vds rds
一般rds很大，与负载并联可忽略，FET可等效为受控电流源。 增强型： iD Kn ( vGS VT ) vGS 2 耗尽型：iD I DSS ( 1 ) VP
d d di
d iidd
A
g g
p+ p+ p+ p+ N N N p+ + p+ p
VDD VDD VDD
s s s
ID基本不变
17
N沟道JFET工作原理
③ vGS和vDS同时作用时
当VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断，
d
id
对于同样的vDS ， ID的值比vGS=0时的值要小。
在预夹断处
VDS VDD I D Rd
验证是否满足 VDS (VGS VT ) 如果不满足，则说明假设错误 再假设工作在可变电阻区 即 VDS (VGS VT )
I D 2Kn ( vGS VT ) vDS VDS VDD I D Rd
31
一、直流偏置及静态工作点的计算
§3.2 场效应管单管放大电路
例3.2.1： 设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， VDD=5V， VT=1V， Kn 0.2mA / V 2
试计算电路的静态漏极电流IDQ和
漏源电压VDSQ 。
Rg2 VDD 40 5V 2V Rg1 Rg2 60 40
iD(mA)
预夹断点：vGD=vT
2）工作Baidu Nhomakorabea理
N沟道增强型MOSFET
（3） vDS和vGS同时作用时 vDS一定，vGS变化时 给定一个vGS ，就有一条不同 的 iD – vDS 曲线。
iD(mA)
vGS=7V
vGS=5V vGS=3V vDS/V
7
+ 3） V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性
(a) vGS=0, vDS=0时
iD趋于饱和
(b) vGS=0, vDS<│VP│时
iD饱和
JFET
(c) vGS=0, vDS=│VP│时
(d) vGS=0, vDS>│VP│时 19
三、JFET的特性曲线及参数
1. 输出特性
iD f (vDS ) vGS const.
2. 转移特性 iD f (vGS ) vDS const. vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
当沟道夹断时，对应的栅源电压 vGS称为夹断电压VP 。
gg g
V VGGGG VGG
p+p+ p+ NN N
+ p+p p+
ss s
16 N沟道的JFET，VP <0。
N沟道JFET工作原理
② vDS对iD的影响 （vGS =0）
1）当vDS=0时，iD=0。 2） vDS iD G、D间PN结的反向电压增加， 使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道 变窄，从上至下呈楔形分布。 3）当vDS↑，使vGD=vGS- vDS=-vDS= VP时， 在靠漏极A点处夹断—预夹断。 此时iD达到了饱和漏电流IDSS vDS 夹断区延长 沟道电阻
vDS极性的规律：使载流子向漏极做漂移运动。
增强型
耗尽型
25
vGS 可正、可负、可为零
双极型和场效应型三极管的比较
双极型三极管 单极型场效应管
载流子
输入量 控制
多子扩散少子漂移
电流输入 电流控制电流源
一种载流子漂移
电压输入 电压控制电流源
输入电阻
热噪声 静电影响
几十到几千欧
较大 不受静电影响
几兆欧以上