信号与系统 第三章 场效应管及其放大电路课件.ppt

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1、第三章 场效应管及其放大电路,3.1 场效应晶体管,3.1.1 结型场效应管,3.1.2 绝缘栅场效应管,3.1.3 场效应管的参数,3.2场效应管工作状态分析及其偏置电路,3.2.1场效应管的工作状态分析,3.2.2 场效应管的偏置电路,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 共源放大电路3.3.3 共漏放大电路,场效应晶体管（场效应管）：只有一种载流子（多子）起运载电流的作用。也称作单极型晶体管。,双极型晶体管：多子与少子同时参加导电。,3.1 场效应晶体管,场效应管的优点：P70,场效应管FET(Field Effect Transistor),结型场效

2、应管JFET(Junction FET),绝缘栅场效应管IGFET(Insulated Gate FET),场效应管的分类：,3.1.1 结型场效应管（JFET）,Gate栅极,Source源极,Drain 漏极,1）P区重掺杂。2）源极和漏极可以互换。,结型场效应管的结构：,注意：,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,主要以N沟道结型场效应管为例讲解。,P沟道JFET的结构示意图和表示符号：,结型场效应管的工作原理：,注意：需在栅极和源极之间加上负的电压UGS，在漏极和源极之间加上正的电压UDS。,(a) UGS =0，导电沟道最宽,栅源电压UGS对沟道的控制作

3、用示意图：,(b) UGS负压增大，沟道变窄,(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断,D,S,P,P,UGSoff夹断电压,此时漏极电流ID0。,关于栅源电压的控制作用,JFET沟道电阻的大小受其栅源电压的控制， 可以看成是一个电压控制的可变电阻器。,沟道预夹断,D,G,S,(a)预夹断前,U,DS,I,D,0,U,GS,P,P,UDS对导电沟道的影响：,b) 预夹断时,思考： 预夹断时UGS、UGD 满足什么条件？,预夹断前：ID随着UDS的增加而增加，大体呈线性上升关系，沟道等效为一个线性电阻。,预夹断后：夹断区是高阻区，尽管UDS增大，但其增大的电压基本上都落在夹断区上，沟道两端的压降几

4、乎不变， 使ID几乎不变，表现出ID的恒流作用。,完全夹断后：ID=0。,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线,(b)输出特性曲线,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,变,电,阻,区,恒,截止区,2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,区,击,穿,区,U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5V,N沟道JFET的输出特性曲线：,2.恒流区,预夹断后所对应的区域。,uGSoff uGS0且 uGDuGSoff,1. 可变电阻区,预夹断前所对应的区域。,uGSoff uGS0且 uGD uGSoff。,3.击穿区,

5、uDS增大，uDG也随之增大，过大时PN结在靠近漏极处发生击穿。,4. 截止区,当uGS uGSoff时，沟道被全部夹断。iD=0,(a)JFET的转移特性曲线,为保证场效应管正常工作，结型场效应管的栅源间必须加反向电压。,（2）转移特性曲线,两个重要参数：IDSS： 饱和电流；表示uGS=0时的iD值；UGSoff：夹断电压uGS=UGSoff时iD为零。,恒流区中：,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，其输入阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。,IGFET也称为MOSFET。Oxide Semiconductor Field E

6、ffect Transistor金属氧化物半导体场效应管,绝缘体一般为二氧化硅（SiO2）。,MOSFET,N沟道,P沟道,N沟道增强型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET,P沟道增强型MOSFET,P沟道耗尽型MOSFET,分类:,一、 N沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET),(a)立体图,UGS=0，源极与漏极间导电沟道未形成,工作原理：,加在栅极和衬底之间的正电压将产生一个电场，这个电场将排斥紧靠绝缘层表面的空穴，而把电子吸引到绝缘层表面。当自由电子的浓度大于空穴浓度后，这一薄层将由P型转变成N型，通常称这一薄层为反型层，它将在两个N+区之间形成一个电子导

7、电沟道。,UGS0, UDS=0,定义开启电压：UGSth,当 UGSUGSth，导电沟道已形成.,当UGSUGSth，导电沟道未形成,沟道形成后，如果让uDS加上正电压，源极的自由电子将沿着沟道到达漏极，形成漏极电流iD。,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,uDS增大，沟道预夹断后情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,2. N沟道增强型MOSFET管的转移特性曲线,(1)当uGSUGSth时，iD=0。,(2)当uGSUGSth时，iD 0， 二者符合平方律关系。,UGSth0,UGS为正值。,uDS为正值。,3.

8、N沟道增强型MOSFET管的输出特性曲线,i,D,0,u,D,S,U,GS,6V,截止区,4,V,3,V,2,V,5,V,可,变,电,阻,区,恒,流,区,区,穿,击,恒流区中：,其中： W为沟道宽度；L为沟道长度； k是与MOSFET的类型、结构有关的制造参数 。,COX：栅极绝缘层沟道形成的MOS电容 （每单位面积的电容量）,：电子迁移率（单位电场作用下电子的平均速度）,厄尔利电压,: 沟道调制系数,二、 N沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET),N沟耗尽型MOSFET的结构与N沟增加型MOSFET的结构相似，所不同的只是在制造器件时已在源区和漏区之间做成了N型沟道

9、。,例如：在栅极下面的绝缘层中掺入了大量碱金属正离子，形成许多正电中心，即使uGS=0，由于正离子的存在仍能产生垂直电场，形成导电沟道。,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,uGS可正可负。,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。,恒流区中：,可见：公式形式与结型场效应管相同。,场效应管的类型：,场效应管FET,结型场效应管JFET,绝缘栅场效应管IGFET或MOSFET,增强型MOS

10、FET,耗尽型MOSFET,另外：每一种场效应管又有N沟道和P沟道之分。,小结：各种场效应管的符号与特性,各种场效应管的符号：,D,G,S,D,G,S,N,沟道,P,沟道,JFET,图示：各种场效应管的符号对比1,图示：各种场效应管的符号对比2,恒流区，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用：,JFET或耗尽型MOSFET：,增强型MOS管：,i,D,u,G,S,U,G,S,off,0,I,DSS,I,D0,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,图示：各种场效应管的转移特性对比,N沟道：,P沟道：,图示：各种场效应管的输出特性对比,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,结型,N,沟,耗尽型,增强型,MOS,N沟,U,GS,/,V,U,GS,/,V,增强型,N沟道：,P沟道：,