第2章场效应管及其放大电路课件.ppt

1.4 场效应管（Field Effect Transistor）,场效应管与晶体管三极管（晶体管） 的区别,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达10710124. 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、易集成。,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管分类：,Junction type,Insulated gate type,Depletion type,enhancement,1、结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,导电沟道,源极，用S或s表示source,N型导电沟道,漏极，用D或d表示drain,1.4.1 结型场效应管,栅极，用G或g表示gate,结型场效应管（JFET)符号, VGS对沟道的控制作用（VDS=0）等宽,当VGS0时PN结反偏,当沟道夹断时,ID减小至0，此时对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。,对于N沟道的JFET， VGS(off) 0。,耗尽层加厚,沟道变窄,VGS继续减小，沟道继续变窄， ID继续变小。,当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小。,沟道电阻变大,ID变小,根据其结构，它只能工作在反偏条件下，N沟道管加负栅源电压， P沟道管加正栅源电压。,2、结型场效应管（JFET)的工作原理,当VGS=C时，VDS 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VDS增加到使VGD= VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时VDS ,夹断区延长,沟道电阻 ,ID基本不变, VDS对沟道的控制作用,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管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,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是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,综上分析可知,(2)转移特性 transfer characteristics,VP,(1)输出特性output characteristics,3、结型场效应管（JFET)的特性曲线及参数,夹断区,variable resistance region,pinch off region,constant current region,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,P49 图1.4.13_注意方向区别,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. 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。,结型场效应管的缺点：,MOS场效应管,1.4.2 绝缘栅场效应管,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,漏极D,源极S,绝缘栅极G,衬底B,电极金属Metal绝缘层氧化物Oxide基体半导体Semiconductor因此称之为MOS管,增强型MOS场效应管,当VGS= UGS(th)时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成ID。,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什么电压都不会在D、S间形成电流ID，即ID0.,当VGS UGS(th)时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。,开始时无导电沟道，当在VGSUth时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGS UGS(th) ，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当 VGD UGS(th)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID,当VDS增加到使VGD=UGS(th)时，,当VDS增加到VGD UGS(th)时，,这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区,恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。,vGS/V,三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,耗尽型MOS场效应管,当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD。 当VGS0时,将使iD进一步增加。 当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0,二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,输出特性曲线,VGS(V),iD(mA),转移特性曲线,三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,2. 夹断电压UGS(off) ：是耗尽型FET的参数，当VGS=UGS(off)时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。,1. 开启电压UGS(th)：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,4. 直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107，绝缘栅:1091015。,5. 漏源击穿电压V(BR)DS: 使ID开始剧增时的VDS。,6.栅源击穿电压V(BR) GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,1.4.3 场效应管的主要参数（P50）,7. 低频跨导gm ：低频跨导反映了栅源压对漏极电流的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,8. 输出电阻rds,9. 极间电容高频电路,Cgs栅极与源极间电容，约13pF；Cds 漏极与源极间电容，约0.11pF;Cgd 栅极与漏极间电容。,各种场效应管的符号对比,各种场效应管的符号对比,图 场效应管的符号及特性P49,1.4.4 场效应管与晶体管三极管的比较,场效应管 晶体三极管单极性：多子 双极型：多子和少子压控型 流控型Ri很大 Ri较小跨导较小 大JFET的d,s可互换 c,e互换很小温度稳定性好 温度稳定性差可作压控电阻,1.6 集成电路中的元件P60 集成电路（IC）：制造工艺、许多元件、同一块 半导体基片上，封装。具有完整功能,特点：（1）元件密度高（集成度高） （2）体积小 （3）功能强 （4）功耗低 （5）外部连线及焊点少 （6）集成电路中的元件具有良好的对称性 （7）集成电路中的电阻和电容数值有限 （8）复合管 可靠性、灵活性， 实现了元件、电路和系统的紧密结合,复合管：（1）各管的电流方向不矛盾、工作在放大区 P123 （2）=12 （3）等效管子的类型与第一只管子的类型相同,P144 2.18,不能,不能,NPN,不能,不能,PNP,NPN,2.7.1 场效应管的三种接法共源放大电路*共漏放大电路*共栅放大电路,2.7 场效应管放大电路,2.7.2 场效应管放大电路的静态设置,场效应管偏置电路 与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式。 我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。,图 场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)分压式偏置方式,解析法,已知电流方程及各自电路的栅源电压方程，联立求解即可求得工作点。例如：,(a),(b),将式(b)代入式(a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。,场效应管的共源极放大电路,场效应管的微变等效电路,跨导,漏极输出电阻,2.7.3 场效应管放大电路的动态分析,场效应管的微变等效电路,动态分析,Ro=RD=10k,2.7.4 共漏放大电路源极输出器,uo,+UDD,RS,ui,C1,R1,RG,R2,RL,150k,50k,1M,10k,C2,动态分析,输入电阻 Ri,输出电阻 Ro,加压求流法,Ro,g,R2,R1,RG,s,d,RS,微变等效电路,/ RS,(1) 场效应管放大器输入电阻很大。(2) 场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。,场效应管放大电路特点,不要求,谢谢！,