单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,双极型晶体管BJT：输入电阻,r,be,小，电流控制器件,NPN,PNP,场效应管,输入电阻高、内部噪声小、耗电省、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、易于实现集成化、工作频率高,电压控制器件,双极型晶体管BJT：输入电阻rbe小，电流控制器件 NPN,1,第四章 场效应管及MOS模拟集成电路基础,4-1 结型场效应管（JFET）,4-2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）,4-3 场效应管放大电路,4-4 MOS模拟集成电路基础,第四章 场效应管及MOS模拟集成电路基础4-1 结型场效,2,场效应管（FET）：,是一种具有PN结的有源半导体器件，利用电场效应来控制输出电流的大小。,场效应管的特点：,输入电阻高；,内部噪声小；,功耗低；,热稳定性及抗辐射能力强；,工艺简单、易于集成化。,输入端PN结一般工作反偏或绝缘状态。,场效应管的分类：,结型,FET（JFET）：,MOSFET（IGFET）：,N沟道、P沟道,增强型：,耗尽型：,N沟道、P沟道,N沟道、P沟道,场效应管（FET）：,3,N,4.1 结型场效应管（JFET）,4.1 结型场效应管,一、JFET的结构和符号,#符号中的箭头方向表示什么？,表示栅结正向偏置时，电流方向是由P指向N。,P,P,+,P,+,D,S,G,D,G,S,N,沟道,JFET 的结构和符号,栅极,漏极,源极,NPN,B,I,B,D,G,S,P沟道JFET,N,+,N,+,C,E,B,C,E,PNP,I,B,B,C,E,B,C,E,N4.1 结型场效应管（JFET）4.1 结型场效应管一,4,二、JFET的工作原理,N沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压,u,GS,0,N沟道中的多子（电子）由S向D运动，形成漏极电流,i,D,。,i,D,i,G,主要讨论,u,GS,对,i,D,的控制作用以及,u,DS,对,i,D,的影响。,电子,i,D,u,GS,u,DS,输入电阻很高,只有一种类型的多数载流子参与导电,二、JFET的工作原理N沟道JFET工作时，必须在栅极和,5,G,N,P,+,P,+,D,S,1、,U,GS,对,i,D,对控制作用,U,DS,=0，,u,GS,对导电沟道的影响,G,N,P,+,P,+,D,S,u,GS,=0,导电沟道较宽,|u,GS,|=|,U,GS(off),|,|u,GS,|,U,GS(off),|,导电沟道由于耗尽层的加宽而变窄。,导电沟道由于耗尽层的合拢而被夹断。,G,N,P,+,P,+,D,S,U,GS(off),夹断电压。,当,u,GS,由零向负值增大时,沟道电阻,r,DS,|,u,GS,|,当,|,u,GS,|=,U,GS,（,off,）,时，沟道夹断，,i,D,=0,。,沟道电阻,r,DS,i,D,夹断电压,GNP+P+DS1、UGS对iD对控制作用 UDS=0，,6,耗尽层合拢的电压条件,PN结两端电压=夹断电压U,GS(off),G,D,S,N,u,DS,u,GS,P,+,P,+,A,A点电压=,u,DG,=,U,GS(off),=,u,DS,-,u,GS,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),u,DS,u,GS,-,U,GS(off),耗尽层合拢的电压条件,耗尽层,不,合拢的电压条件,u,GS,夹断电压,U,GS(off),耗尽层合拢的电压条件PN结两端电压=夹断电压UGS(off),7,G,D,S,N,u,DS,对,i,D,的影响,u,GS,=0,；,导电沟道较宽；,当,u,DS,较小时(,u,DS,u,GS,-,U,GS(off),),，,i,D,随,u,DS,的增大成正比增大；,u,DS,i,D,0,u,DS,导电沟道由于DS间的电位梯度呈契形；,u,DS,u,DS,u,GS,-,U,GS(off),G,P,+,P,+,D,S,N,u,DS,夹断区长度,外电压的增量主要降落在夹断区上。,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),沟道预夹断时，,u,GS,=0,u,DS,=,-,U,GS(off),饱和漏电流,u,DS,i,D,0,|,U,GS(off),|,I,DSS,u,GS,=0,r,DS,大,1k,1V,i=1mA,4V,3k,i=1mA,1V,4V,V,uDS对iD的影响沟道预夹断后，uDS uGS-UGS,10,u,DS,对,i,D,的影响,G,P,+,P,+,D,S,N,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),沟道预夹断时，,u,GS,=0,u,DS,=,-,U,GS(off),沟道预夹断后，,u,DS,u,GS,-,U,GS(off),u,DS,夹断区长度,外电压的增量主要降落在夹断区上。,i,D,基本不随,u,DS,的增加而上升，,i,D,趋于饱和。,在强电场作用下PN结雪崩击穿，,i,D,急剧增大。,饱和漏电流,u,DS,i,D,0,|,U,GS(off),|,I,DSS,u,GS,=0,若,u,DS,BU,DS,，,。,u,DS,uDS对iD的影响GP+P+DSNuDS=uGS-UG,11,G,D,S,N,u,DS,u,DS,u,GS,-,U,GS(off),夹断区长度,i,D,基本不随,u,DS,的增加而上升，,i,D,趋于饱和。,u,DS,在强电场作用下PN结雪崩击穿，,i,D,急剧增大。,u,GS,=0V,u,GS,=-4V,u,GS,=-8V,u,GD,=,u,GS,-,u,DS,=,U,GS(off),GDSNuDSuDS uGS-UGS(off)uGSiDP,12,综上分析可知：,4.1 结型场效应管,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,|,U,GS(off),|,I,DSS,u,DS,i,D,0,u,GS,=-4V,u,GS,=-8V,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此,i,G,0,，输入电阻很高。,JFET是电压控制电流器件，,i,D,受,u,GS,控制。,预夹断前,i,D,与,u,DS,呈近似线性关系；预夹断后，,i,D,趋于饱和。,u,GS,G,N,P,+,P,+,D,S,i,D,i,G,电子,i,D,u,DS,N,G,N,N,+,N,+,D,S,i,D,i,G,空穴,i,D,u,GS,u,DS,P,综上分析可知：4.1 结型场效应管沟道中只有一种类型的多数载,13,G,N,P,+,P,+,D,S,|u,GS,|,U,GS(off),|,G,N,P,+,P,+,D,S,U,GS(off),夹断电压。,|,u,GS,|,当,|,u,GS,|=,U,GS,（,off,）,时，沟道夹断，,i,D,=0,。,沟道电阻,r,DS,i,D,复习,GNP+P+DS|uGS|UGS(off)|GNP+P+,14,G,D,S,N,u,DS,u,DS,u,GS,-,U,GS(off),夹断区长度,i,D,基本不随,u,DS,的增加而上升，,i,D,趋于饱和。,u,DS,在强电场作用下PN结雪崩击穿，,i,D,急剧增大。,u,GS,=0V,u,GS,=-4V,u,GS,=-8V,u,GD,=,u,GS,-,u,DS,=,U,GS(off),GDSNuDSuDS uGS-UGS(off)uGSiDP,15,4.1 结型场效应管,三、JFET的特性曲线及参数,1.输出特性,i,D,u,DS,0,0,-,4,-,1,-,2,-,3,I,DSS,可变电,阻区,恒流区,击,穿,区,截止区,u,GS,r,ds,恒流区（饱和区）,击穿区,截止区,（全夹断区）,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),u,GS,可变电阻区,G,N,P,+,P,+,D,S,JFET正常放大作用,区域,线性放大区,B,U,DS,P140,表,4,1 N,沟道,JFET,各工作区的条件,u,GS,U,GS(off),u,DS,u,GS,-,U,GS(off),4.1 结型场效应管三、JFET的特性曲线及参数1.输,16,2.转移特性,0,(当,U,GS(off),u,GS,0),i,D,u,GS,u,DS,i,D,0,0,-,3,-,2,u,GS,=,-,1,-,3,-,2,-,1,在恒流区,I,DSS,U,GS(off),2.转移特性 0(当UGS(off)|,U,GS(off),|,（10V）时的漏极电流。,I,DSS,是JFET能输出的最大电流。,饱和漏电流,I,DSS,|,U,GS(off),|,u,DS,i,D,0,u,GS,=0V,u,GS,=-4V,u,GS,=-8V,u,GD,=,u,GS,-,u,DS,=,U,GS(off),u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),3.主要参数 （1）夹断电压UGS(off)：,18,G,N,P,+,P,+,D,S,（3）直流输入电阻,R,GS,：,在漏源间短路的情况下，栅源间加一定的反偏电压时的栅源直流电阻。,（4）输出电阻,r,d,：,反映了漏源电压对漏极电流的影响。,在恒流区，,i,D,随,u,DS,改变很小，所以,r,d,的数值很大，在几十千欧到几百千欧之间。,G,D,S,N,u,GS,i,D,P,+,P,+,u,DS,|,U,GS(off),|,u,DS,i,D,0,u,GS,=0V,u,GS,=-4V,u,GS,=-8V,恒流区,GNP+P+DS（3）直流输入电阻RGS：在漏源间短路的情况,19,（5）低频跨导,g,m,：,u,DS,为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量的比。,反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，,g,m,可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,GS,off,GS,GS,DSS,m,du,U,u,I,d,g,1,2,),(,-,=,),(,),(,1,2,off,GS,off,GS,GS,DSS,U,U,u,I,-,=,（5）低频跨导gm：uDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这,20,（7）最大栅源电压B,U,GS,：,输入栅源间PN结的反向电流开始急剧增加的,u,GS,值。,（8）最大耗散功率,P,DM,：,JFET,的瞬时耗散功率等于,u,DS,和,i,D,的乘积，即,p,D,u,DS,i,D,（6）最大漏源电压B,U,DS,：,发生雪崩击穿，,i,D,开始急剧上升时的,u,DS,值。,I,DSS,越负，B,U,DS,越小。,（7）最大栅源电压BUGS：输入栅源间PN结的反向电流开始急,21,1、转移特性曲线：,I,D,=,f,（U,GS,）|,U,DS,=常数,I,D,(mA),U,GS,(V),0,U,GS(off),I,DSS,三、特性曲线,1、转移特性曲线：ID=f（UGS）|UDS=常,22,2、漏极特性曲线：,I,D,=,f,（U,DS,）|,U,GS,=常数,恒流区,击,穿,区,截止区,线性放大区,i,D,u,DS,0,0,-,4,-,1,-,2,-,3,I,DSS,u,GS,B,U,DS,可变电阻区,放大区,击,穿,区,线性放大区,u,CE,i,C,0,i,B,饱和区,截止区,2、漏极特性曲线：ID=f（UDS）|UGS=常,23,3、漏极特性、转移特性曲线间的联系,I,D,U,DS,0,0,-,5,-,7,-,2,-,3,-,4,-6 -4 -2 0,U,GS,I,D,I,DSS,3、漏极特性、转移特性曲线间的联系IDUDS0 0-5-7-,24,恒流区,击,穿,区,截止区,线性放大区,i,D,u,DS,0,0,-,4,-,1,-,2,-,3,I,DSS,u,GS,B,U,DS,可变电阻区,判断N沟道,JFET,工作区,u,GS,当,u,DS,u,DS,=,u,GS,-,U,GS(off),u,DS,u,GS,-,U,GS(off),u,GS,U,GS(off),截止区,u,GS,U,GS(off),可变电阻区,预夹断,恒流区,u,DS,BU,DS,击穿区,恒流区击 截止区线性放大区 iDuDS0 0-4-1,2