1、2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,1,第3章场效应晶体管及其放大电路,3.1场效应晶体管,3.1.1 结型场效应管,一、结型场效应管的结构,二、结型场效应管的工作原理,三、特性曲线,1.输出特性曲线,2.转移特性曲线,3.1.2 绝缘栅场效应管(IGFET),一、N沟道增强型MOSFET,二、N沟道耗尽型 MOSFET,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,2,3.1.3 场效应管的参数,一、直流参数,二、极限参数,三、交流参数,3.2 场效应管工作状态分析及其偏置电路,3.2.1 场效应管工作状态分析,一、各种场效应管的符号对比,二、各
2、种场效应管的特性对比,三、BJT与FET工作状态的对比,四、场效应管工作状态的判断方法,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,3,3.2.2 场效应管偏置电路,一、自偏置电路,二、分压偏置电路,3.3场效应管放大电路,3.3.1 场效应管的低频小信号模型,3.3.2共源放大器,3.3.3共漏放大器,作 业,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,4,第3章场效应晶体管及其放大电路,（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
3、态工作点和动态参数（ ）的分析方法。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,5,场效应晶体管（场效应管）利用多子的漂移运动形成电流。,场效应管FET (Field Effect Transistor),结型场效应管JFET (Junction FET),绝缘栅场效应管IGFET (Insulated Gate FET),双极型晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)主要是利用基区非平衡少子的扩散运动形成电流。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,6,3.1.1 结型场效应管,(a)N沟道JFET,图3.1.1结
4、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.avi,一、结型场效应管的结构,3.1场效应晶体管,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,7,ID,IC,NJFET,NPNBJT,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,8,(b)P沟道,ID,实际流向,图3.1.1结型场效应管的结构示意图及其表示符号,IC,PNPBJT,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,9,JFET/FE
5、T与BJT结构、特性相同点,NJFET结构上相当于NPNBJT,电极G-B S-E D-S 相对应,N沟道JFET iD0,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,10,(a) UGS =0，沟道最宽,图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,二、结型场效应管的工作原理,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,11,(b) UGS负压增大，沟道变窄,D,S,P,P,图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,横向电场作用：,UGS,沟道宽度, PN结耗尽层宽度,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,12,(
6、c) UGS负压进一步增大，沟道夹断,D,S,P,P,UGSoff夹断电压,图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,13,沟道预夹断,D,G,S,(a)uGDUGSoff（预夹断前）,U,DS,I,D,0,U,GS,P,P,图3.1.3 uDS对导电沟道的影响,uGD=UGSoff（预夹断时）,纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上窄下宽）,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,14,由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不变。,D,G,S,U,
7、DS,U,GS,沟道局部夹断,I,D,P,P,几乎不变,(b) uGDUGSoff（预夹断后）,结型场效应三极管漏源电压对沟道的控制作用.avi,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,15,沟道夹断,沟道预夹断,沟道局部夹断,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,16,三、特性曲线,1.输出特性曲线,uGS0，,uDS0,图3.1.4 (a) JFET的输出特性曲线,漏极输出特性曲线.avi,(1)可变电阻区,uGDUGSoff,uGSUGSoff;,或uDSuGS-UGSoff,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A
8、,17,图3.1.4 (a) JFET的输出特性曲线,(2)恒流区,或uDSuGS-UGSoff,uGSUGSoff;,uGDUGSoff,iD的大小几乎不受uDS的控制。,uGS对iD的控制能力很强。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,18,图3.1.4 (a) JFET的输出特性曲线,iD=0,(3) 截止区,UGSUGSoff,(4)击穿区,uDG(=uDS-uGS)增大引起PN结击穿。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,19,2.转移特性曲线,uGS0，,iD0,从输出特性曲线作转移特性曲线示意图,转移特性曲线.avi,201
9、9年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,20,u,G,S,/,V,0,-1,-2,-3,1,2,3,4,5,I,DSS,U,GS,off,i,D,/,mA,为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压。,图3.1.4(b) JFET的转移特性曲线,恒流区中：,IDSS饱和电流， 表示uGS=0时的iD值；,UGSoff夹断电压， 表示uGS=UGSoff时iD=0。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,21,i,D,0,u,D,S,NJFET工作在不同状态的条件说明图,NJFET,NPNBJT,2019年6月21日星期五,B0400091S 模
10、拟电子线路A,22,3.1.2 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（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。,1.简介,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,23,MOSFET,N沟道,P沟道,增强型,N-EMOSFET,耗尽型,增强型,耗尽型,N-DMOSFET,P-EMO
11、SFET,P-DMOSFET,2.分类,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,24,一、N沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET),1. N沟道增强型MOSFET的结构,源极,栅极,漏极,氧化层,(,SiO,2,),B,W,P,型衬底,N,N,L,耗,尽,层,A1层,S,G,D,图3.1.5 MOSFET结构示意图(a)立体图,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,25,图3.1.5 MOSFET结构示意图(b)剖面图,S,G,D,N,N,P,型硅衬底,绝缘层,(,SiO,2,),衬底引线,B,半导体,N沟道增强型M
12、OSFET的结构示意图和符号.avi,金属(A1),2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,26,UGS=0，导电沟道未形成,PN结(耗尽层),2.N沟道增强型MOSFET的工作原理,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,27,B,(a) UGSUGSth，导电沟道未形成,N,U,GS,N,PN,结,(,耗尽层,),P,型衬底,图3.1.6 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,开启电压：UGSth,D,S,G,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,28,B,N,导电沟道（反型层）,P,型衬底,U,GS,N,衬底
13、的箭头方向表示PN结若加正向电压时的电流方向,(b) UGSUGSth，导电沟道已形成,栅源电压VGS对沟道的影响.avi,图3.1.6 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,29,uDS增大，沟道预夹断前情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,30,图3.1.8 uDS增大，沟道预夹断时情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,预夹断,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,31,uDS增大，沟道预夹断
14、后情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,漏源电压VDS对沟道的影响.avi,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,32,图3.1.9N沟增强型MOSFET的输出特性曲线,(1)截止区,uGSUGSth,(2)可变电阻区,uGSUGSth;,或uDSuGS-UGSth,uGDUGSth,3. N沟增强型MOSFET的输出特性曲线,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,33,图3.1.9N沟增强型MOSFET的输出特性曲线,(3)恒流区,uGSUGSth;,uGDUGSth,或uDSuGS-UGSth,2019年6月21日星期
15、五,B0400091S 模拟电子线路A,34,图3.1.7 N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线,4. N沟增强型MOSFET的转移特性曲线,恒流区,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,35,二、N沟道耗尽型 MOSFET(Depletion NMOSFET),UGS=0，导电沟道已形成,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,36,图3.1.10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)电路符号,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,37,(,c,),D,G,S,B,图3.1.10N沟
16、道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)电路符号,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,38,3.1.3 场效应管的参数,一、直流参数,1.饱和漏极电流IDSS：,2.夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。,对应uGS=0时的漏极电流。,3.开启电压UGSth。,4.输入电阻RGS,JFET，RGS在1081012之间;,MOSFET，RGS在10101015之间。,通常认为RGS 。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,39,二、极限参数,(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。,(2)漏
17、源击穿电压U(BR)DSO。,(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,40,三、交流参数,1.跨导gm,对JFET和DMOSFET,那么,对EMOSFET,那么,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,41,2.输出电阻rds,恒流区的rds可以用下式计算,UA为厄尔利电压。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,42,N,沟道,P,沟道,JFET,一、各种场效应管的符号对比,3.2.1 场效应管工作状态分析,3.2 场效应管工作状态分析及其偏置电路,2019年6月21日星期五,
18、B0400091S 模拟电子线路A,43,N,沟道,P,沟道,增强型,N,沟道,P,沟道,耗尽型,MOSFET,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,44,JFET：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。,MOSFET：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,G,S,S,D,uGS,iD,二、各种场效应管的特性对比,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,45,i,D,u,G,
19、S,U,G,S,off,0,I,DSS,I,DSS,U,G,S,th,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,N沟道：,P沟道：,图3.2.1 (a)各种场效应管的转移特性对比,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,46,N沟道：,P沟道：,u,D,S,i,D,0,线性可变电阻区,0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,-1,-2,-3,-3,-4,-5,-6,-7,-8,-9,结型,P沟,耗尽型,MOS,P沟,-3,-4,-5,-6,0,-1,-2,0,1,2,3,-1,-2,-3,3,4,5,6,7,8,9
20、,结型,N沟,耗尽型,增强型,MOS,N沟,U,GS,/,V,增强型,U,GS,/,V,图3.2.1(b)各种场效应管的输出特性对比,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,47,三、BJT与FET工作状态的对比,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,48,四、场效应管工作状态的判断方法,1.假设处于截止状态,2.假设处于放大状态,或,或,指导思想：假设处于某一状态，然后用计算结果验证假设是否成立。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,49,例 3.2.1 判断图3.2.2所示的场效应管电路，管子的IDSS=3mA,
21、UGSoff=-5V，管子工作在什么区间？,图 3.2.2 场效应管电路,1.假设处于截止状态,应有,而,2.假设处于放大状态,应有,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,50,而,满足,故管子工作在放大区。,图 3.2.2 场效应管电路,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,51,3.2.2 场效应管偏置电路,偏置电路,自偏置电路,分压偏置电路,确定直流工作点方法,图解法,解析法,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,52,图3.2.3场效应管偏置电路,(b)分压偏置电路,(a)自偏置电路,只适宜 JFET、DMO
22、SFET,适宜所有FET,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,53,一、自偏置电路,栅源回路直流负载线方程,图3.2.4 (a)图解法求自偏压电路的直流工作点,Q,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,54,解析法：由电流方程及栅源直流负载线方程联立求解,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,55,图3.2.4 (b)图解法求分压偏置电路直流工作点,二、分压偏置电路,栅源回路直流负载线方程,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,56,解析法：由电流方程及栅源直流负载线方程联立求解,2019
23、年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,57,若输入为正弦量，上式可改写为,通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则,3.3.1 场效应管的低频小信号模型,3.3场效应管放大电路,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,58,r,ds,g,m,U,gs,U,ds,I,d,D,S,图3.3.1 场效应管低频小信号模型,G,S,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,59,3.3.2共源放大器,图3.3.2 (a)共源放大器电路,例 3.3.1共源放大电路如图3.3.2（a）所示，场效应管的gm=5mA/V，分析该电路的交流性能
24、指标Au、Ri和RO。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,60,图3.3.2 (b)共源放大器电路低频小信号等效电路,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,61,图3.3.2 (a)含有源极电阻的共源放大电路,例3.3.2 试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,62,图3.3.2 (b)含有源极电阻的共源放大电路的等效电路,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,63,图3.3.4 (a)共漏电路,3.3.3共漏放大器,2019年6月21日星期五
25、,B0400091S 模拟电子线路A,64,图3.3.4 (b)共漏电路等效电路,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,65,1. 放大倍数Au,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,66,2.输入电阻,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,67,3. 输出电阻Ro,U,o,R,S,S,D,I,d,g,m,U,gs,G,+,_,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,68,图3.3.5计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,69,表
26、3.3.1 场效应管三种组态放大电路性能比较,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,70,作 业,3.1,3.5,3.3,3.10,3.4,3.12,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,71,BJT与FET的对比,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,72,使用FET的几点注意事项,保存,测量,焊接,JFET用万用表测试要小心谨慎。,电烙铁要有中线。,MOSFET一般不可测。,各电极焊接顺序为：SDG。,断电焊接。,注意将几个管脚短路（用金属丝捆绑）。,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,73,BJT与FET之比较,1.电路结构 2.工作原理 3.伏安特性 4.状态判断 5.放大状态下直流、交流等效模型,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,74,0,-0.1V,-0.2V,-0.3V,-0.4V,-0.5V,2N3370 N沟道JFET输出I-V 特性曲线,非等间距,2019年6月21日星期五,B0400091S 模拟电子线路A,75,2N1711 NPN BJT输出I-V 特性曲线,等间距,100uA,80uA,60uA,40uA,20uA,0,
