模電課件模電3

模電課件模電31

3.1絕緣柵型場效應(yīng)管

3.2場效應(yīng)管放大電路第三章

場效應(yīng)管及其放大電路3.1絕緣柵型場效應(yīng)管3.2場效2第三章

場效應(yīng)管放大電路內(nèi)容：1.介紹場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性及主要參數(shù)。2.介紹基本放大電路。教學(xué)基本要求：1.了解場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)，熟練掌握場效應(yīng)管的伏安特性及主要參數(shù)。2.掌握場效應(yīng)管與雙極型三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

3.理解放大電路的工作原理及放大電路的分析方法。第三章場效應(yīng)管放大電路內(nèi)容：3一、場效應(yīng)管的分類

場效應(yīng)管(FET)增強(qiáng)型

絕緣柵型(MOSFET)N溝道P溝道結(jié)型(JFET)N溝道P溝道耗盡型N溝道P溝道耗盡型概述

場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件。一、場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管增強(qiáng)型絕緣柵型N溝道P溝道4二、MOSFET與JFET的主要區(qū)別

JFET：利用外加電場來控制半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)。通過改變PN結(jié)耗盡層的寬度，改變導(dǎo)電溝道的寬窄來控制輸出電流。

MOSFET：利用外加電場來控制半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)。通過改變感生溝道的寬窄來控制輸出電流。耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別耗盡型：場效應(yīng)管沒有外加?xùn)艠O電壓時，已存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：場效應(yīng)管在外加?xùn)艠O電壓超過一定時，才有導(dǎo)電溝道。二、MOSFET與JFET的主要區(qū)別耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別5三、場效應(yīng)管與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件。

*三極管利用多數(shù)載流子和少數(shù)載流子工作，起著導(dǎo)電作用，屬于雙極型器件。*場效應(yīng)管只利用多數(shù)載流子的工作，起著導(dǎo)電作用，屬于單極型器件。通過本章節(jié)的分析討論，了解并掌握場效應(yīng)管的控制特性、基本放大電路及電路特點(diǎn)。三、場效應(yīng)管與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)61.

基本結(jié)構(gòu)

圖3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管(a)

基本結(jié)構(gòu)

(b)表示符號

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管3.1

絕緣柵型場效應(yīng)管DBGS(b)1.基本結(jié)構(gòu)圖3.1.1N溝道增強(qiáng)7分析：主要討論uGS對iD

的控制作用。(1)導(dǎo)電溝道的建立圖3.1.2N溝道增強(qiáng)型導(dǎo)MOS管導(dǎo)電溝道的建立

2.工作原理

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管分析：主要討論uGS對iD的控制作用。圖3.8(2)uDS對iD的影響

圖3.1.3uDS對導(dǎo)電溝道和iD的影響(a)uDS較小(b)uDS=uGS-UT(c)uDS>uGS-UT

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管

2.工作原理uGD=uGS-uDS當(dāng)uDS↑→uGD=uGS-uDS=UT(2)uDS對iD的影響圖3.1.3uDS對導(dǎo)9(3)uGS對iD的控制作用

MOS管在正常工作情況下，uDS、UT是確定的，式中：IDO為uGS=2UT時的iD值

在滿足上式的情況下，只要改變uGS的值，就有一個確定的iD與之對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)uGS對iD的控制。故稱MOS管為電壓控制元件。且：uDS>uGS-UT

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管

2.工作原理(3)uGS對iD的控制作用MOS管在正常工作情況下，u103.特性曲線(1)轉(zhuǎn)移特性表述：當(dāng)漏源電壓uDS為某一固定值時，柵源電壓uGS和漏極電流iD之間的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性。也就是柵源電壓uGS

對漏極電流iD

的控制特性。表達(dá)式：(a)轉(zhuǎn)移特性圖3.1.4(a)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管3.特性曲線(1)轉(zhuǎn)移特性(a)轉(zhuǎn)移特性圖3.1.4(11(2)輸出特性表述：當(dāng)柵源電壓uGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系曲線，稱為輸出特性。表達(dá)式：(b)輸出特性圖3.1.4(b)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線Ⅲ區(qū)Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅳ區(qū)3.特性曲線

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管(2)輸出特性表述：當(dāng)柵源電壓uGS一定的情況下，漏極電121.基本結(jié)構(gòu)

圖3.1.5是N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。制造時在二氧化硅絕緣層中滲入大量的正離子，在它的作用下，即使uGS

=0時，在兩個N型區(qū)之間形成原始N型導(dǎo)電溝道。

圖3.1.5N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)表示符號

3.1.2

N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管1.基本結(jié)構(gòu)圖3.1.53.1.2N132.工作原理分析：在uDS為常數(shù)，1)當(dāng)uGS

=0時，漏源極間已導(dǎo)通，

iD≠0；2)uGS＞0時，溝道變寬，iD

↑；3)uGS＜0時，溝道變窄，iD↓；4)當(dāng)uGS

達(dá)到一定負(fù)值時，溝道被夾斷，

iD≈0；MOS管截止，uGS=

UP值稱為夾斷電壓

3.1.2

N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管2.工作原理3.1.2N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管143.特性曲線圖3.1.6N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

3.1.2

N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管3.特性曲線圖3.1.6N溝道耗盡型絕緣柵場15

3.1.3

場效應(yīng)管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)(1)開啟電壓UT定義：當(dāng)漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，使管由截止變?yōu)閷?dǎo)通時的臨界柵源電壓uGS，稱為開啟電壓UT。(2)夾斷電壓UP定義：當(dāng)漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，使管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r的臨界柵源電壓uGS，稱為夾斷電壓UP。(3)飽和漏極電流IDSS

表述：當(dāng)uGS=0時，場效應(yīng)管處于預(yù)夾斷狀態(tài)的漏源電壓

(即│uDS│≥│UP│)時的漏極電流，稱為飽和漏極電流IDSS。

3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)(1)開啟16

3.1.3

場效應(yīng)管的主要參數(shù)

2.交流參數(shù)(1)互導(dǎo)gm定義：當(dāng)漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，漏極電流iD與柵源電壓uGS的變化量之比，稱為互導(dǎo)gm

。表達(dá)式：(2)極間電容是指場效應(yīng)管三個極間的電容，即CGS、CGD、CDS。3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.交流參數(shù)(1)互導(dǎo)173.2

場效應(yīng)管放大電路(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)(放大區(qū))，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。(2)動態(tài)：能為交流信號提供通路。靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法：

場效應(yīng)管是電壓控制器件。它利用柵源電壓來控制漏極電流的變化。它的放大作用以跨導(dǎo)來體現(xiàn)，在場效應(yīng)管的漏極特性的水平部分，漏極電流iD的值主要取決于uGS，而幾乎與uDS無關(guān)。3.2場效應(yīng)管放大電路(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)183.2.1場效應(yīng)管的微變等效電路1.輸入端:

由于場效應(yīng)管是利用場效應(yīng)原理工作的，不向信號源取用電流，故輸入端呈開路狀態(tài)。2.輸出端:由伏安特性可知(電壓控制的恒流源)3.2.1場效應(yīng)管的微變等效電路1.輸入端:(電壓控制19圖3.2.1FET的微變等效電路及高頻模型(a)低頻模型(c)高頻模型(b)低頻模型3.2.1場效應(yīng)管的微變等效電路圖3.2.1FET的微變等效電路及高頻模型(a)低201.放大電路的組成以N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管組成的分壓式偏壓電路為例，電路如圖3.2.2所示。圖3.2.2分壓式場效應(yīng)管放大電路

3.2.2共源放大電路1.放大電路的組成圖3.2.2分壓式場效應(yīng)管放大電路212.靜態(tài)分析

圖3.2.3直流通路(UGSQ、IDQ、UDSQ)1）解析法

3.2.2共源放大電路2.靜態(tài)分析圖3.2.3直流通路(UGS22(1)放大電路的放大倍數(shù)(2)輸入電阻和輸出電阻

圖3.2.4放大電路的微變等效電路

3.動態(tài)分析

3.2.2共源放大電路(1)放大電路的放大倍數(shù)(2)輸入電阻和輸出電阻圖234.舉例分析

例3.5.1

：共源極放大電路，場效應(yīng)管的UP=-1V,IDSS=0.5mA，UDD=18V,RG1=47kΩ，RG2=2MΩ，RG=10MΩ，RS=2kΩ，

RD=30kΩ，RL=30kΩ。1）求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；2）求放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。解1）根據(jù)電路的直流通路，有IDQ1=1.6mA[舍去]；IDQ2=0.32mA=IDQUGSQ=-0.23V；UDSQ=7.76V解得：上式聯(lián)立解得4.舉例分析例3.5.1：共源極放大電路，場效應(yīng)管的U244.舉例分析

解2)先求gm，再求Auriro解得：

圖3.2.4放大電路的微變等效電路4.舉例分析解2)先求gm，再求Auri25本章小結(jié)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件。和半導(dǎo)體三極管相比，場效應(yīng)管由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，所以溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低。場效應(yīng)管主要優(yōu)點(diǎn)有輸入電阻非常高。場效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵型兩類，每類都有N溝道和P溝道兩種。對于絕緣柵型場效應(yīng)管，還有增強(qiáng)型和耗盡型兩種形式。場效應(yīng)管有可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、截止區(qū)三個工作區(qū)，當(dāng)組成放大電路時，應(yīng)工作在恒流區(qū)。

本章小結(jié)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件。26第三章作業(yè)3.10；3.13第三章作業(yè)27模電課件模電328

3.1絕緣柵型場效應(yīng)管

3.2場效應(yīng)管放大電路第三章

場效應(yīng)管及其放大電路3.1絕緣柵型場效應(yīng)管3.2場效29第三章

場效應(yīng)管放大電路內(nèi)容：1.介紹場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性及主要參數(shù)。2.介紹基本放大電路。教學(xué)基本要求：1.了解場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)，熟練掌握場效應(yīng)管的伏安特性及主要參數(shù)。2.掌握場效應(yīng)管與雙極型三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

3.理解放大電路的工作原理及放大電路的分析方法。第三章場效應(yīng)管放大電路內(nèi)容：30一、場效應(yīng)管的分類

場效應(yīng)管(FET)增強(qiáng)型

絕緣柵型(MOSFET)N溝道P溝道結(jié)型(JFET)N溝道P溝道耗盡型N溝道P溝道耗盡型概述

場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件。一、場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管增強(qiáng)型絕緣柵型N溝道P溝道31二、MOSFET與JFET的主要區(qū)別

JFET：利用外加電場來控制半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)。通過改變PN結(jié)耗盡層的寬度，改變導(dǎo)電溝道的寬窄來控制輸出電流。

MOSFET：利用外加電場來控制半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)。通過改變感生溝道的寬窄來控制輸出電流。耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別耗盡型：場效應(yīng)管沒有外加?xùn)艠O電壓時，已存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：場效應(yīng)管在外加?xùn)艠O電壓超過一定時，才有導(dǎo)電溝道。二、MOSFET與JFET的主要區(qū)別耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別32三、場效應(yīng)管與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件。

*三極管利用多數(shù)載流子和少數(shù)載流子工作，起著導(dǎo)電作用，屬于雙極型器件。*場效應(yīng)管只利用多數(shù)載流子的工作，起著導(dǎo)電作用，屬于單極型器件。通過本章節(jié)的分析討論，了解并掌握場效應(yīng)管的控制特性、基本放大電路及電路特點(diǎn)。三、場效應(yīng)管與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)331.

基本結(jié)構(gòu)

圖3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管(a)

基本結(jié)構(gòu)

(b)表示符號

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管3.1

絕緣柵型場效應(yīng)管DBGS(b)1.基本結(jié)構(gòu)圖3.1.1N溝道增強(qiáng)34分析：主要討論uGS對iD

的控制作用。(1)導(dǎo)電溝道的建立圖3.1.2N溝道增強(qiáng)型導(dǎo)MOS管導(dǎo)電溝道的建立

2.工作原理

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管分析：主要討論uGS對iD的控制作用。圖3.35(2)uDS對iD的影響

圖3.1.3uDS對導(dǎo)電溝道和iD的影響(a)uDS較小(b)uDS=uGS-UT(c)uDS>uGS-UT

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管

2.工作原理uGD=uGS-uDS當(dāng)uDS↑→uGD=uGS-uDS=UT(2)uDS對iD的影響圖3.1.3uDS對導(dǎo)36(3)uGS對iD的控制作用

MOS管在正常工作情況下，uDS、UT是確定的，式中：IDO為uGS=2UT時的iD值

在滿足上式的情況下，只要改變uGS的值，就有一個確定的iD與之對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)uGS對iD的控制。故稱MOS管為電壓控制元件。且：uDS>uGS-UT

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管

2.工作原理(3)uGS對iD的控制作用MOS管在正常工作情況下，u373.特性曲線(1)轉(zhuǎn)移特性表述：當(dāng)漏源電壓uDS為某一固定值時，柵源電壓uGS和漏極電流iD之間的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性。也就是柵源電壓uGS

對漏極電流iD

的控制特性。表達(dá)式：(a)轉(zhuǎn)移特性圖3.1.4(a)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管3.特性曲線(1)轉(zhuǎn)移特性(a)轉(zhuǎn)移特性圖3.1.4(38(2)輸出特性表述：當(dāng)柵源電壓uGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系曲線，稱為輸出特性。表達(dá)式：(b)輸出特性圖3.1.4(b)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線Ⅲ區(qū)Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅳ區(qū)3.特性曲線

3.1.1N溝道增強(qiáng)型絕緣場效應(yīng)管(2)輸出特性表述：當(dāng)柵源電壓uGS一定的情況下，漏極電391.基本結(jié)構(gòu)

圖3.1.5是N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。制造時在二氧化硅絕緣層中滲入大量的正離子，在它的作用下，即使uGS

=0時，在兩個N型區(qū)之間形成原始N型導(dǎo)電溝道。

圖3.1.5N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)表示符號

3.1.2

N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管1.基本結(jié)構(gòu)圖3.1.53.1.2N402.工作原理分析：在uDS為常數(shù)，1)當(dāng)uGS

=0時，漏源極間已導(dǎo)通，

iD≠0；2)uGS＞0時，溝道變寬，iD

↑；3)uGS＜0時，溝道變窄，iD↓；4)當(dāng)uGS

達(dá)到一定負(fù)值時，溝道被夾斷，

iD≈0；MOS管截止，uGS=

UP值稱為夾斷電壓

3.1.2

N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管2.工作原理3.1.2N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管413.特性曲線圖3.1.6N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

3.1.2

N溝道耗盡型絕緣場效應(yīng)管3.特性曲線圖3.1.6N溝道耗盡型絕緣柵場42

3.1.3

場效應(yīng)管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)(1)開啟電壓UT定義：當(dāng)漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，使管由截止變?yōu)閷?dǎo)通時的臨界柵源電壓uGS，稱為開啟電壓UT。(2)夾斷電壓UP定義：當(dāng)漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，使管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r的臨界柵源電壓uGS，稱為夾斷電壓UP。(3)飽和漏極電流IDSS

表述：當(dāng)uGS=0時，場效應(yīng)管處于預(yù)夾斷狀態(tài)的漏源電壓

(即│uDS│≥│UP│)時的漏極電流，稱為飽和漏極電流IDSS。

3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)(1)開啟43

3.1.3

場效應(yīng)管的主要參數(shù)

2.交流參數(shù)(1)互導(dǎo)gm定義：當(dāng)漏源電壓uDS為某一常數(shù)時，漏極電流iD與柵源電壓uGS的變化量之比，稱為互導(dǎo)gm

。表達(dá)式：(2)極間電容是指場效應(yīng)管三個極間的電容，即CGS、CGD、CDS。3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.交流參數(shù)(1)互導(dǎo)443.2

場效應(yīng)管放大電路(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)(放大區(qū))，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。(2)動態(tài)：能為交流信號提供通路。靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法：

場效應(yīng)管是電壓控制器件。它利用柵源電壓來控制漏極電流的變化。它的放大作用以跨導(dǎo)來體現(xiàn)，在場效應(yīng)管的漏極特性的水平部分，漏極電流iD的值主要取決于uGS，而幾乎與uDS無關(guān)。3.2場效應(yīng)管放大電路(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)453.2.1場效應(yīng)管的微變等效電路1.輸入端:

由于場效應(yīng)管是利用場效應(yīng)原理工作的，不向信號源取用電流，故輸入端呈開路狀態(tài)。2.輸出端:由伏安特性可知(電壓控制的恒流源)3.2.1場效應(yīng)管的微變等效電路1.輸入端:(電壓控制46圖3.2.1FET的微變等效電路及高頻模型(a)低頻模型(c)高頻模型(b)低頻模型3.2.1場效應(yīng)管的微變等效電路圖3.2.1FET的微變等效電路及高頻模型(a)低471.放大電路的組成以N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管組成的分壓式偏壓電路為例，電路如圖3.2.2所示。圖3.2.2分壓式場效應(yīng)管放大電路

3.2.2共源放大電路1.放大電路的組成圖3.2.2分壓式場效應(yīng)管放大電路482.靜態(tài)分析