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MOSFET3.1.3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）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。场效应管FET(FieldEffectTransistor)结型场效应管JFET(JunctionFET)绝缘栅场效应管IGFET(InsulatedGateFET)双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。3.1.1结型场效应管N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图3.1.1结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P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFETID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NDGSPP(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(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS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↓(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断DSPPUGSUGSoff——夹断电压图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DGSUDSUGSIDPP>0沟道预夹断DGS(a)uGD>UGSoff（预夹断前）UDSID＞0UGSPP图3.1.3uDS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）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。DGSUDSUGS沟道局部夹断IDPP几乎不变(b)uGDUGSoffuGS>UGSoff;或uDSuGS-UGSoffuGS>UGSoff;uGDUGSth，导电沟道已形成栅源电压VGS对沟道的影响.avi图3.1.6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号uDS增大，沟道预夹断前情况BUDSP型衬底UGSN+N+图3.1.8uDS增大，沟道预夹断时情况BUDSP型衬底UGSN+N+预夹断uDS增大，沟道预夹断后情况BUDSP型衬底UGSN+N+漏源电压VDS对沟道的影响.avi图3.1.9N沟增强型MOSFET的输出特性曲线iD0uDSUGS＝6V截止区4V3V2V5V可变电阻区恒流区区穿击(1)截止区uGSUGSth;或uDSUGSth3.N沟增强型MOSFET的输出特性曲线图3.1.9N沟增强型MOSFET的输出特性曲线iD0uDSUGS＝6V截止区4V3V2V5V可变电阻区恒流区区穿击(3)恒流区uGS>UGSth;uGDuGS-UGSthuGS/V032112345UGSthiD/mA图3.1.7N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二、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)UGS=0，导电沟道已形成BN＋导电沟道（反型层）P型衬底N＋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(c)DGSB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RGSJFET，RGS在108~1012Ω之间;MOSFET，RGS在1010~1015Ω之间。通常认为RGS→∞。二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS三、交流参数1.跨导gm对JFET和DMOSFET那么对EMOSFET那么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。DGSDGSN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DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型MOSFETJFET：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GSSDuGSiD二、各种场效应管的特性对比iDuGSUGSoff0IDSSIDSSUGSth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N沟道：P沟道：uDSiD0线性可变电阻区01234560123-1-2-3-3-4-5-6-7-8-9结型P沟耗尽型MOSP沟-3-4-5-60-1-20123-1-2-33456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟UGS/V增强型UGS/V图3.2.1(b)各种场效应管的输出特性对比N-FETP-FETPNP-BJTNPN-BJT截止饱和/可变电阻放大三、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。RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG例3.2.1判断图3.2.2所示的场效应管电路，管子的IDSS=3mA,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而RD10VRGVUDD3.3k100k-2VUGG满足故管子工作在放大区。图3.2.2场效应管电路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图3.2.3场效应管偏置电路RDUDDRSuiRGVRDUDDRSuiRG2RG1(b)分压偏置电路(a)自偏置电路只适宜JFET、DMOSFET适宜所有FET一、自偏置电路栅源回路直流负载线方程RDUDDRSuiRGV图3.2.4(a)图解法求自偏压电路的直流工作点Q解析法：由电流方程及栅源直流负载线方程联立求解RDUDDRSuiRGV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RDUDDRSuiRG2RG1RDUDDRSuiRG2RG1解析法：由电流方程及栅源直流负载线方程联立求解若输入为正弦量，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rdsgmUgsUdsIdDS图3.3.1场效应管低频小信号模型GS3.3.2共源放大器图3.3.2(a)共源放大器电路UiC2C1RDRG1RSUDD=20VRG2+150k50k2k10k++RL1MUoRG31MC3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指标Au、Ri和RO。图3.3.2(b)共源放大器电路低频小信号等效电路rdsDSUoRDRL+_+_UiGRG3RG2RG1gmUgsui＋－C2C1C3RDuo＋－RG1RG3RS2UDDRG2＋RS1150k50k2k10k1k＋＋1MRL1Mgm＝5mA/V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。图3.3.2(b)含有源极电阻的共源放大电路的等效电路gmUgsDSUoRS1RDRLrds+_+_UiGRG3RG2RG1C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2k＋＋RL10kUoRG31M＋－＋－Uigm＝2mA/V图3.3.4(a)共漏电路3.3.3共漏放大器图3.3.4(b)共漏电路等效电路UoRLRSSDIdgmUgs+_UiGRG3RG2RG1+_UoRLRSSDIdgmUgs+_UiGRG3RG2RG1+_1.放大倍数Au2.输入电阻UoRLRSSDIdgmUgs+_UiGRG3RG2RG1+_3.输出电阻RoUoRLRSSDIdgmUgs+_UiGRG3RG2RG1+_IoUoRSSDIdgmUgsG+_Io图3.3.5计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路RoRo'I'o表3.3.1场效应管三种组态放大电路性能比较作业3.13.53.33.12好差抗干扰能力好不好辐射光照温度特性D－S可置换C－E不可置换使用简单，易集成复杂工艺gm(小)(大)放大能力108～1012102～103输入阻抗压控流控工作控制方式多子（单极型）多子、少子（双极型）导电机构FETBJTBJT与FET的对比使用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：S→D→G。断电焊接。注意将几个管脚短路（用金属丝捆绑）。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0-0.1V-0.2V-0.3V-0.4V-0.5V2N3370N沟道JFET输出I-V特性曲线非等间距2N1711NPNBJT输出I-V特性曲线等间距100uA80uA60uA40uA20uA0
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