第三章-场效应管及其放大电路.pptx

第三章 场效应管及其放大电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路内容：内容：1.介绍介绍场效应管的场效应管的结构、工作原理、伏安特性及结构、工作原理、伏安特性及主要参数。主要参数。2.介绍基本放大电路。介绍基本放大电路。教学基本要求：教学基本要求：1.了解场效应管的基本结构，熟练掌握场效应管了解场效应管的基本结构，熟练掌握场效应管的伏安特性及主要参数。的伏安特性及主要参数。2.理解放大电路的工作原理，熟练掌握放大电理解放大电路的工作原理，熟练掌握放大电路的分析方法。路的分析方法。3.1 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一一.场效应管的分类场效应管的分类 场效应管场效应管 (FET)增强型增强型 绝缘栅型绝缘栅型(MOSFET)N 沟道沟道P 沟道沟道结结 型型(JFET)N 沟道沟道P 沟道沟道耗尽型耗尽型N 沟道沟道P 沟道沟道耗尽型耗尽型概概 述述 场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。半导体器件。MOSFET与与JFET的主要区别的主要区别 JFET：利用外加电场来控制半导体内的电场效应。利用外加电场来控制半导体内的电场效应。通过改变通过改变PN结耗尽层的宽度，改变导电沟道的宽结耗尽层的宽度，改变导电沟道的宽窄来控制输出电流。窄来控制输出电流。MOSFET：利用外加电场来控制半导体表面的电场利用外加电场来控制半导体表面的电场效应。通过改变感生沟道的宽窄来控制输出电流。效应。通过改变感生沟道的宽窄来控制输出电流。耗尽型与增强型的主要区别耗尽型与增强型的主要区别 耗尽型：场效应管没有外加栅极电压时，已存在导耗尽型：场效应管没有外加栅极电压时，已存在导电沟道。电沟道。增强型：场效应管在外加栅极电压超过一定时，才增强型：场效应管在外加栅极电压超过一定时，才有导电沟道。有导电沟道。1.基本结构基本结构 图图3.1是是N 沟道增强型沟道增强型绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构示意图。示意图。图图3.1 N沟道增强型沟道增强型绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 (a)基本结构基本结构 (b)表示符号表示符号 一一.N 沟道增强型绝缘场效应管沟道增强型绝缘场效应管3.1 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管DBGS(b)利用栅源电压利用栅源电压uGS的大小，来改变半导体表面感生的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流电荷的多少，从而控制漏极电流 iD的大小。的大小。分析：分析：主要讨论主要讨论 uGS 对对iD 的控制作用。的控制作用。(1)当当uGS =0 时时(见见图图3.2a),),不论所加电压不论所加电压uDS 的极性的极性如何，其中总有一个如何，其中总有一个PN 结是反向偏置的反向电结是反向偏置的，反向电阻很高，则漏极电流阻很高，则漏极电流iD0。(2)当栅源极之间加正向电压当栅源极之间加正向电压uGS(见图见图3.2b)，在在 uGS的作用下，产生了垂直于衬底表面的电场，的作用下，产生了垂直于衬底表面的电场，P 型硅中少数载流子型硅中少数载流子(自由电子自由电子)被吸到表面层填被吸到表面层填补空穴形成负离子的耗尽层。补空穴形成负离子的耗尽层。2.工作原理工作原理(3)当栅极与源极之间加正向电压当栅极与源极之间加正向电压uGSUT时时(见见图图3.2c)，被吸到表面层中的自由电子较多，填补空，被吸到表面层中的自由电子较多，填补空穴后还有剩余，在表面层中形成一个穴后还有剩余，在表面层中形成一个N型层，通型层，通常称为反型层；它就是沟通源区和漏区的常称为反型层；它就是沟通源区和漏区的N 型导型导电沟道。形成导电沟道后，在漏极电源电沟道。形成导电沟道后，在漏极电源uDS的作的作用下，将产生漏极电流用下，将产生漏极电流 iD，MOS 管即导通。场管即导通。场效应管是利用场效应原理工作的。效应管是利用场效应原理工作的。(4)形成反型层的导电沟道后，形成反型层的导电沟道后，uGS正值愈高，导正值愈高，导电电沟道愈宽沟道愈宽，即，即 改变改变uGS 改变沟道宽度改变沟道宽度改变改变iD uGS沟道宽度沟道宽度iD 综述：综述：当当0uGSUT 时，漏、源极间沟道尚未联时，漏、源极间沟道尚未联通，通，iD0；当当uGSUT时，随时，随uGS变化变化 iD随之随之变化。变化。达到达到uGS 对对iD 的控制，故称的控制，故称MOS管为电压控制元管为电压控制元件。件。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静3.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性图图3.3(a)N沟道增强型沟道增强型 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 的的特性曲线特性曲线(1)转移特性转移特性表述：表述：当当漏源电压漏源电压uDS 为为某一固定值时，栅源电某一固定值时，栅源电压压uGS 和漏极电流和漏极电流 iD 之之间的关系曲线，称为转间的关系曲线，称为转移特性。也就是移特性。也就是栅源电栅源电压压uGS 对漏极电流对漏极电流 iD 的的控制特性控制特性。表达式：表达式：输出特性曲线见图输出特性曲线见图3.3(b)(2)输出特性输出特性(b)输出特性输出特性图图3.3(b)N沟道增强型沟道增强型 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 的的特性曲线特性曲线表述：表述：当当栅源电压栅源电压uGS 一定的情况下，一定的情况下，漏极漏极电流电流 iD 与与漏源电压漏源电压uDS 之间的关系曲线，称之间的关系曲线，称为输出特性。为输出特性。表达式：表达式：区区区区区区(1)开启电压开启电压UT表述：表述：在一定的漏源电压在一定的漏源电压UDS作用下，使管子作用下，使管子由截止变为导通的临界栅源电压由截止变为导通的临界栅源电压uGS ，称为，称为开启开启电压电压UT。表达式：表达式：(2)互导互导gm表述：表述：在漏源电压在漏源电压uDS 为某一常数时，漏极电为某一常数时，漏极电流的微变量流的微变量iD 和引起这一变化的栅源电压和引起这一变化的栅源电压uGS之比值，称为互导之比值，称为互导gm 。表达式：表达式：(a)转移特性转移特性 4.主要参数主要参数(3)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 表述：表述：在一定的漏源电压在一定的漏源电压uDS(通常为通常为10V)作用下，作用下，当当uGS=0 时的漏极电流时的漏极电流，称为，称为饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS。表达式：表达式4)直流输入电阻直流输入电阻RGS表述：表述：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻，即为直流输入电阻电压时的栅源直流电阻，即为直流输入电阻RGS 。1.基本结构基本结构 图图3.5是是N 沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结绝缘栅场效应管的结构示意图。制造时在二氧化硅绝缘层中渗入大构示意图。制造时在二氧化硅绝缘层中渗入大量的正离子，在它的作用下，即使量的正离子，在它的作用下，即使uGS=0 时，时，在两个在两个N型区之间形成原始型区之间形成原始N型导电沟道。型导电沟道。图图3.5 N沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(a)结构示意图结构示意图(b)表示符号表示符号 二二.N沟道耗尽型绝缘场效应管沟道耗尽型绝缘场效应管2.工作原理工作原理1)在在uDS 为常数的条件下，当为常数的条件下，当uGS=0 时，漏源极间时，漏源极间已导通，已导通，iD0；2)在在uDS 为常数，为常数，uGS0 时，沟道变宽，时，沟道变宽，iD；3)在在uDS 为常数，为常数，uGS0 时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD；4)当当uGS 达到一定负值时，沟道被夹断，达到一定负值时，沟道被夹断，iD0；MOS管截止，管截止，UGS值称为值称为夹断电压。夹断电压。3.特性曲线特性曲线 如图如图3.6所示所示 图图3.6 N沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效绝缘栅场效 应管的应管的转移特性和输出特性转移特性和输出特性(1)输入端输入端:由于场效应管是利用场效应原理工作的，不由于场效应管是利用场效应原理工作的，不向信号源取用电流，故输入端呈开路状态。向信号源取用电流，故输入端呈开路状态。(2)输出端输出端:由伏安特性可知由伏安特性可知 场效应管的微变等效电路见图场效应管的微变等效电路见图3.4 三三.场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 输出特性输出特性 图图3.4 FET的的微变等效电路及高频模型微变等效电路及高频模型(a)低频模型低频模型(c)高频模型高频模型(b)低频模型低频模型3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路一一.放大电路的组成放大电路的组成组成：组成：以以N 沟道增强型沟道增强型绝缘栅场效应管组成的绝缘栅场效应管组成的分压式偏压电路为例，电路如图分压式偏压电路为例，电路如图3.8所示。所示。图图3.8 分压式分压式场效场效 应管放大电路应管放大电路二二.静态分析静态分析 图图3.9 直流通路直流通路 根据根据图图3.8 有图有图3.9所示的直流通路所示的直流通路,由图由图3.9得其分压式场效应管放大电路的得其分压式场效应管放大电路的交流通交流通路和路和微变等效电路，如图微变等效电路，如图3.10和图和图3.11图图3.9 分压式分压式场效应场效应 管管放大电路放大电路 图图3.11 放大电路的放大电路的 微变等效电路微变等效电路图图3.10 放大电路放大电路 的交流通路的交流通路 三三.动态分析动态分析1.放大电路的放大倍数放大电路的放大倍数2.放大电路的输入电阻和输出电阻放大电路的输入电阻和输出电阻 图图3.11 放大电路的放大电路的 微变等效电路微变等效电路