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1、第3章 场效应管与特殊三极管基本应用电路,3.1 结型场效应管,结构,工作原理,输出特性,转移特性,主要参数,3.1.1 JFET的结构和工作原理,3.1.2 JFET的特性曲线及参数,N,基底：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,3.1.1结型场效应管结构,导电沟道,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,3.1.2 工作原理,UDS=0U时,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,1.以P沟道,ID,UDS=0U时,UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,P,G,S,D,UDS,UGS,
2、UDS=0时,UGS达到一定值时（夹断电压UP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0U，漏极电流ID=0A。,ID,UGS0、UGDUP时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,UGSUp且UDS较大时UGDUP时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,ID,UGSUp UGD=UP时,漏端的沟道被夹断，称为予夹断。,UDS增大则被夹断区向下延伸。,ID,UGSUp UGD=UP时,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,2 N沟道JFET工作原理,UGS对沟道的控制作用,当UGS0时,当沟道夹断时，对应
3、的栅源电压UGS称为夹断电压UP（或UGS(off)）。,对于N沟道的JFET，UP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,UGS继续减小，沟道继续变窄,UDS对沟道的控制作用,当UGS=0时，,UDS,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。,当UDS增加到使UGD=UP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时UDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,UGS和UDS同时作用时,当UP UGS0 时，,导电沟道更容易夹断，,对于同样的UDS，ID的值比UGS=0时的值要小。,在预夹断处,UGD=UGS-UDS=UP,3.1.3特性曲线,饱和
4、漏极电流,夹断电压,转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线,1.P沟道,ID,U DS,恒流区,输出特性曲线,0,转移特性曲线,输出特性曲线,N沟道JFET,夹断电压UP(或UGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的UGS值。,UGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了UGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,输出电阻rd：,结型场效应管的缺点：,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。,3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2.
5、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。,MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道，因此MOSFET有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，共4种类型。,3.2 绝缘栅场效应管,3.2.1 结构和电路符号,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,N沟道增强型,N 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,3.2.2MOS管的工作原理,以N 沟道增强型为例,UGS=0时,对应截止区,UGS0时,感应出电子,UT称为阈值电压,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-
6、S连接起来，UGS越大此电阻越小。,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,UDS增加，UGD=UT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,绝缘栅型场效应管特性曲线,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,夹断电压,开启电压,各种场效应管所加偏压极性小结,1.直流参数 场效应管直流参数主要是保证其工作在合适的电路状态即可变电阻区、夹断区、恒流区。1）饱和漏极电流IDSS：耗尽型和结型场效应管的一个重要参数,它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零,而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。2）夹断电压UP:耗尽型和结型场效应管
7、重要参数,其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1A,50A)时所需的UGS值。3）开启电压UT:UT是增强型场效应管的重要参数,它的定义是当UDS一定时,漏极电流ID达到某一数值(例如10A)时所需加的UGS值。4）直流输入电阻RGS:栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流,因此输入电阻很高。结型为106 以上，MOS管可达1010以上。,3.2.3 场效应管的主要参数,2.交流参数,场效应管交流参数也称为动态参数，主要是研究场效应管交流性能时涉及的性能参数。1）低频跨导gmgm是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。具体公式为：,2）极间电容场效应管三
8、个电极之间的电容，包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。3）输出电阻输出电阻rd说明了uDS对iD的影响，是输出特性某一点上切线的斜率倒数。在饱和区（线性放大区），iD随uDS改变很小，因此rd的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。,极限参数(the maximum parameter)是管子在正常工作状态不允许超过的参数。如果超越，可能会损坏管子。,1）漏极最大允许耗散功率PDM,2）漏、源间击穿电压U（BR）DS3）栅源间击穿电压U（BR）GS,3.极限参数,(2)场效应三极管的型号,场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三
9、极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,几种常用场效应三极管的主要参数,双极型三极管与场效应三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型 N沟道 P沟道 与 PNP型 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道 分类 C与E一般不可 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道 倒置使用 D与S有的型号可倒
10、置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源 电压控制电流源 噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，且有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,3.3 场效应管放大电路,（a）共源电路（b）共漏电路（c）共栅电路,场效应管放大电路的三种接法 场效应管必须工作在放大区，即必须采用合适的直流电流将其工作点（UDS，ID）设置于输出特性曲线的放大区，且保持稳定。与晶体管放大电路相类似，场效应管放大电路有共源、共漏、共栅三种接法，它们的交流通路如图
11、所示。,3.3.1场效应管放大电路的直流偏置与静态分析,1.自偏压电路,2.分压器式自偏压电路,3.3.2 场效应管放大电路的动态分析,1.场效应管小信号模型,(a)结型场效应管小信号模型(b)绝缘栅型场效应管小信号模型,由于结型场效应管的输入电阻比绝缘栅场效应管小，所以结型场效应管的小信号模型保留了电阻rgs，如图（a），而绝缘栅场效应管输入电阻趋近于无穷大，所以小信号模型中不再画输入电阻，直接将栅-源之间开路处理，如图（b）。,对于结型场效应管,当小信号作用时，可以用IDQ来近似iD，所以,对于增强型MOS管,当场效应管用在高频或脉冲电路时，极间电容的影响不能忽略，此时场效应管需用高频模型如图3-18所示。,图3-18场效应管高频小信号模型,2.应用小信号模型法分析场效应管放大电路,（a）电路（b）微变等效电路,中频电压增益,输入电阻、输出电阻:根据输入电阻、输出电阻:Ri=;RO=RD,1）共源极放大器,2）.共漏放大电路的动态分析,a.静态：,b.动态计算,48,三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,49,三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,
