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1、双极型晶体管BJT：输入电阻rbe小，电流控制器件,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,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,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。,
2、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,4.1 结型场效应管（JFET）,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。,G,N沟道JFET 的结构和符号,栅极,漏极,源极,B,P沟道JFET,C,E,B,C,E,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uGS 0.,栅极沟道间的PN结反偏，,栅极电流iG0,栅极输入阻抗高达107以上。,在D-S间加一个正电压uDS0,N沟道中的多子（电子）由S向D运动，
3、形成漏极电流iD。,主要讨论uGS对iD的控制作用以及uDS对iD的影响。,电子,iD,uGS,uDS,输入电阻很高,只有一种类型的多数载流子参与导电,1、UGS对iD对控制作用,UDS=0，uGS 对导电沟道的影响,uGS=0,导电沟道较宽,|uGS|=|UGS(off)|,|uGS|UGS(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。,UGS(off)夹断电压。,当uGS由零向负值增大时,沟道电阻rDS,|uGS|,当|uGS|=UGS（off）时，沟道夹断，iD=0。,沟道电阻rDS,iD,夹断电压,耗尽层合拢的电压条件,PN结两端电压=夹断电压UGS
4、(off),A点电压=uDG=UGS(off),=uDS-uGS,uDS=uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),耗尽层合拢的电压条件,耗尽层不合拢的电压条件,uGS 夹断电压UGS(off),uDS对iD的影响,uGS=0；,导电沟道较宽；,当uDS较小时(uDS uGS-UGS(off)，iD随uDS的增大成正比增大；,uDS,导电沟道由于DS间的电位梯度呈契形；,uDS,uDS uGS-UGS(off),uGS,iD,uDS产生一个沿沟道的电位梯度,uDS,A,uDS,rDS很小，几乎不变,iD,uDS对iD的影响,两耗尽层在A点相遇,此时，A点耗尽层两边的电位差为：
5、,饱和漏电流,uGD,=UGS(off),当uDS=|UGS（off）|时，靠近漏极出现沟道合拢，两耗尽层在A点相遇,称为预夹断状态,uGS=UGS(off),uGS=0,=uGS-uDS,uDS=uGS-UGS(off),uDS对iD的影响,沟道预夹断后，,uDS uGS-UGS(off),G,P+,P+,D,S,N,uDS,夹断区长度,外电压的增量主要降落在夹断区上。,uDS=uGS-UGS(off),沟道预夹断时，,uGS=0,uDS=-UGS(off),uGS=0,rDS大,i=1mA,4V,i=1mA,1V,4V,V,沟道预夹断后，,uDS uGS-UGS(off),uDS,夹断区长
6、度,外电压的增量主要降落在夹断区上。,iD基本不随uDS的增加而上升，iD趋于饱和。,在强电场作用下PN结雪崩击穿，iD急剧增大。,uGS=0,若uDS BUDS，。,uDS,uDS,uDS uGS-UGS(off),uGS,uGS0,uDS 0,iD,uDS,饱和漏电流,uDS=uGS-UGS(off),沟道预夹断,uDS,uDS uGS-UGS(off),夹断区长度,iD基本不随uDS的增加而上升，iD趋于饱和。,uDS,在强电场作用下PN结雪崩击穿，iD急剧增大。,uGS=0V,uGS=-4V,uGS=-8V,uGD=uGS-uDS=UGS(off),综上分析可知：,沟道中只有一种类型的
7、多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。,JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。,预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,|uGS|UGS(off)|,UGS(off)夹断电压。,|uGS|,当|uGS|=UGS（off）时，沟道夹断，iD=0。,沟道电阻rDS,iD,复习,uDS,uDS uGS-UGS(off),uGS,uGS0,uDS 0,iD,uDS,饱和漏电流,uDS=uGS-UGS(off),沟道预夹断,uDS,uDS uGS-UGS(off),夹断区长度,iD基本不随u
8、DS的增加而上升，iD趋于饱和。,uDS,在强电场作用下PN结雪崩击穿，iD急剧增大。,uGS=0V,uGS=-4V,uGS=-8V,uGD=uGS-uDS=UGS(off),三、JFET的特性曲线及参数,1.输出特性,可变电 阻区,恒流区,击穿区,uGSrds,恒流区（饱和区）,击穿区,截止区（全夹断区）,uDS=uGS-UGS(off),uGS,可变电阻区,JFET正常放大作用区域,线性放大区,BUDS,P140 表41 N沟道JFET各工作区的条件,uGS UGS(off),uDS uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),2.转移特性,0,(当UGS(off)uGS
9、0),-3,-2,-1,在恒流区,IDSS,UGS(off),3.主要参数,（1）夹断电压UGS(off)：,实测时，令uDS为某一固定值（10V），使iD0时，栅源之间所加的电压，uGS=UGS(off)。,（2）饱和漏电流IDSS：,uGS=0时，-uDS=UGS(off)。,uGS=0，当uDS|UGS(off)|（10V）时的漏极电流。,IDSS是JFET能输出的最大电流。,饱和漏电流,uGD=uGS-uDS=UGS(off),uDS=uGS-UGS(off),（3）直流输入电阻RGS：,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rd：,反映了漏源电
10、压对漏极电流的影响。,在恒流区，iD随uDS改变很小，所以rd的数值很大，在几十千欧到几百千欧之间。,恒流区,（5）低频跨导gm：,uDS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，,gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,（7）最大栅源电压BUGS：,输入栅源间PN结的反向电流开始急剧增加的uGS值。,（8）最大耗散功率PDM：,JFET的瞬时耗散功率等于uDS和iD的乘积，即pDuDSiD,（6）最大漏源电压BUDS：,发生雪崩击穿，iD开始急剧上升时的uDS值。,IDSS越负，BUDS越小。,1、转移特性曲线：,I
11、D=f（UGS）|UDS=常数,三、特性曲线,2、漏极特性曲线：,ID=f（UDS）|UGS=常数,恒流区,击穿区,线性放大区,可变电阻区,放大区,击穿区,线性放大区,饱和区,3、漏极特性、转移特性曲线间的联系,判断N沟道JFET工作区,uGS,当uDS,uDS=uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),uGSUGS(off),截止区,uGSUGS(off),可变电阻区,预夹断,恒流区,uDS BUDS,击穿区,例41 设N沟道JFET的UGS（off）=-4V，试分析图中的JFET各工作在哪个区?,10V,-5V,7V,-3V,解：图(a)
12、：uDS,图(a),uGS,=10V为正极性,=-5V,uGS UGS（off）,所以沟道处于全夹断状态。即图(a)的JFET工作在截止区。,图(b),uGS=-3V UGS（off）所以导电沟道存在。,又知uDS=7V，uGS-UGS（off）=1V，满足uDSuGS-UGS（off）所以漏端的沟道已被部分夹断，,图(b)的JFET工作在恒流区(放大区),0.5V,图(c),uGS=0V，满足uGS UGS（off），所以导电沟道存在,又因为uDS=05V，uGS-UGS（off）=4V，满足uDSuGS-UGS（off）所以漏源之间存在连续沟道，,图(c)的JFET工作在可变电阻区,作业：
13、P165 4.1(UGS(off)=-4V),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,106109,绝缘栅型场效应管（MOSFET）,1015,增强型N沟道MOS管（E型N MOSFET）,增强型P沟道MOS管（E型P MOSFET）,耗尽型N沟道MOS管（D型N MOSFET）,耗尽型P沟道MOS管（D型P MOSFET）,142 绝缘栅型场效应管（MOSFET）,一、N沟道增强型MOSFET,（一）结构和符号,衬底引线,绝缘层SiO2,S,D,栅极与其他两个电极是相互绝缘的,箭头方向表示由
14、P(衬底)指向N(沟道),iG=0,间断线表示栅源电压uGS=0时，FET内部不存在导电沟道,（二）工作原理,1、UGS=0,漏源间没有导电的沟道，iD=0,（二）工作原理,(1)导电沟道的形成,uGS 0,uGS,uGS增大到某一个值时,反型层,反型层是N型半导体层,开启电压UGS（th）,uGS UGS（th）全夹断状态,UGS=UGS(th)时，导电沟道开始形成,uGS uGS(th),uGS,导电沟道,uGB,rDS,(2)iD和导电沟道随uGS和uDS的变化,uGS=常数UGS（th）,电位,S D,低高,宽 窄,S D,有导电沟道的条件,uGD UGS（th）,uGD=uGS-uD
15、S,UGS（th）,uDS uGS-UGS（th）,uDS,rDS(慢),iD,uDS,导电沟道开始形成uGD=uGS-uDS=UGS（th）,导电沟道开始夹断uGD=uGS-uDS=UGS（th）,uDS=uGS-UGS（th）,预夹断,预夹断后,预夹断,uDS uGS-UGS（th）,uDS,预夹断后uDS几乎都降落在夹断区上，而未夹断沟道中的电压基本维持不变。,iD几乎不变略有增大,uDS,反向击穿,uGS-uDS UGS（th）,uGD=,沟道部分夹断,3输出特性曲线,uGS=5V,uGS=4V,uGS=3V,uGS=2V,uGS=UGS(th),uGS uGS(th),导电沟道,uG
16、S,rDS,iD,预夹断曲线,uDS=uGS-UGS（th）,uGS=UGS(off),uGS=UGS(th),三、E型 N MOSFET的输出特性曲线,1.输出特性,iD,uDS,0,5,4,3,2,可变电 阻区,恒流区,击穿区,uGSrds,恒流区（饱和区）,击穿区,截止区（全夹断区）,uDS=uGS-UGS(th),uGS,可变电阻区,MOSFET正常放大作用区域,线性放大区,BUDS,uGS UGS(th),uDS uGS-UGS(th),uDS uGS-UGS(th),UGS(th),P145 表42,2.转移特性,2,3,4,5,转移特性曲线,E型 N MOSFET,(当UGS(o
17、ff)uGS 0),N JFET,例42 一N沟道增强型MOSFET的UGS（th）=2V，当uDS=05V，uGS=3V时，iD=lmA，试问该MOSFET工作在什么区?此时，漏源间的电阻RDS=?,uGS,当uDS,uDS=uGS-UGS(th),uDS uGS-UGS(th),uDS uGS-UGS(th),uGSUGS(th),截止区,uGSUGS(th),可变电阻区,预夹断,恒流区,uDS BUDS,击穿区,uGS=3V UGS（th）=2V,uDS=05V，uGS-UGS（th）=1V,满足uDS uGS-UGS（th）,N沟道MOSFET工作在可变电阻区,作业：P166 4.3,
18、二、N沟道耗尽型MOS管,1、结构和符号,uGS,uGS,导电沟道,UGS(off)夹断电压,3输出特性曲线,uGS=0.2V,uGS=0.1V,uGS=0V,uGS=-0.2V,uGS=UGS(off),预夹断曲线,uDS=uGS-UGS（off）,2.转移特性,E型 N MOSFET,D型 N MOSFET,P沟道MOSFET，除了外加电压极性和漏极电流方向与N沟道MOSFET相反外工作原理完全相同,UGS（off）,UGS（th）,JFET,耗尽型MOST,增强型MOST,UGS（off）,UGS（th）,JFET,耗尽型MOST,增强型MOST,(a)N沟道FET,(b)P沟道FET,复习1,复习2,一、N沟道增强型MOSFET,
