场效应管及其放大电路课件.ppt
第五章 场效应管放大电路,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,金属氧化物场效应管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)又称绝缘栅型场效应管，它是一种利用半导体表面电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。,增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。,耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。,1.结构和符号,N沟道增强型MOSFET结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为G,D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b S(Source):源极，相当eB(Substrate):衬底,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2.工作原理,VGS=0时，无导电沟道 漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0 VGS必须大于0 管子才能工作。,（1）栅源电压VGS的控制作用,（b）0VGS VT（VT 称为开 启电压)在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,0VGSVT，ID=0,(c)VGSVT时此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成N沟道。如果此时VDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加。这种在VGS=0时没有导电沟道，依靠栅源电压的作用而形成感生沟道的FET称为增强型FET,VGS 0g吸引电子反型层导电沟道VGS 反型层变厚 VDS ID,（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,（a）如果VGSVT且固定为某一值，VGD=VGSVDS VDS为0或较小时，VGD=VGSVDS VT，沟道分布如 图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。,VDS ID,（b）当VDS增加到使VGD=VT时沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，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。,（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,VDS ID 不变,（c）当VDS增加到VGDVT时沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。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,3.输出特性曲线,(1)截止区（夹断区）VGS VT以下区域就是截止区VGS VT ID=0,(2)可变电阻区未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域VGS-VDS VP VDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻V-I特性近似为：,其中,本征导电因子,为反型层中电子迁移率,为栅极氧化层单位面积电容,在特性曲线原点附近,所以可变电阻区内原点附近输出电阻为：,为受控于VGS的可变电阻,(3)放大区产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDS VGS-VT VDSID不变处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源,在预夹断临界条件下VDS=VGS-VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：,4.转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。gm 的量纲为mA/V，称为跨导。gm=ID/VGS VDS,5.1.2 N沟道耗尽型MOS管,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,沟道长度调制效应 MOSFET中,栅极下导电沟道预夹断后，若继续增大VDs，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使iD增大，这种效应称为沟道长度调制效应,5.1.2 沟道长度调制效应,各种类型MOS管的特性曲线,各种类型MOS管的特性曲线,5.1.5 MOSFET的主要参数,1、开启电压VT：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的 最小|VGS|值。（增强）,2、夹断电压VP：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的|VGS|值。（耗尽）,3、饱和漏极电流IDSS：在VGS=0时，VDS|VP|时的漏 极电流。（耗尽）,4、极间电容：漏源电容CDS约为 0.11pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为13pF。,一、直流参数,场效应管的主要参数,二、交流参数,1、输出电阻,不考虑沟道调制效应时为0考虑时为,1、最大漏极电流 IDM,2、最大漏极耗散功率 PDM,3、最大漏源电压 V(BR)DS 最大栅源电压 V(BR)GS,由V-I特性估算,因为,则,三、极限参数,场效应三极管的型号,场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,几种常用的场效应三极管的主要参数见表,5.2 MOSFET放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,2.图解分析,3.小信号模型分析,5.2.1 简单共源极放大电路的直流分析,步骤直流通路,VG,VS,5.2 MOSFET放大电路,1 假设MOS管工作于饱和区，则有 VGSQVT，IDQ0，VDSQVGSQ-VT,2 利用饱和区的V-I曲线分析电路：,3 如果出现VGSVT，则MOS管可能截至，如果 VDSVGS-VT，则MOS管可能工作在可变电阻区。,4 如果初始假设被证明是错误的，则必须作新的假 设，同时重新分析电路。,24,5.2.1 简单共源极放大电路的直流分析,（1）直流通路,VGS=VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2),VDS=VDDIDRd,若NMOS工作于饱和区，则,若计算的VDSVGS-VT，则说明NMOS确工作于饱和区；若VDSVGS-VT，则说明工作于可变电阻区。,工作于可变电阻区的ID：,5.2 MOSFET放大电路,25,5.2.2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路,（1）直流通路,VS,若NMOS工作于饱和区，则,VG,VDS=VDDID(Rd+R),5.2 MOSFET放大电路,26,例.如图，设VT=1V,Kn=500A/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流过Rg1,Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1,Rg2的值。,解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和区，则由：,即 0.50.5(VGS-1)2,流过Rg1、Rg2的电流为0.05mA,VS,VG,v0,得 VGS=2V,27,Rg2=45K、Rg1=155K,判断假设的正确性：,VDS=(VDD+VSS)ID(Rd+R)=4.7V,VDS(VGS-VT)=2-1=1V,说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。,28,静态值：VGSQ、IDQ、VDSQ,外加信号电压波形：,因为：vGS=VGSQ+vi,所以vGS的波形为：,负载线方程：,是一条过(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直线,29,VGSQ,IDQ,30,1.NMOS管的小信号模型,工作在饱和区的漏极电流iD:,IDQ,idgmvgs,谐波分量越小越好，一般取为0。,ig0,输入端相当于开路；,idgmvgs，输出回路等效成一个电压控制电流源。,gm=2Kn(VGSQ-VT),31,场效应管输出特性表达式：,求全微分:,漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线斜率的倒数，为无穷大,其中：,为低频跨导,是转移特性曲线Q点的斜率,由该式可得到场效应管的微变等效电路,1.NMOS管的小信号模型,32,因rds很大，可忽略，得简化小信号模型:,可得到场效应管放大电路的微变等效电路,1.NMOS管的小信号模型,33,2.场效应管放大电路的微变等效电路,首先将电容、电源短路得到交流通路：,小信号模型：,34,(1)电压放大倍数,(2)输入电阻,Ri=Rg1/Rg2,(3)输出电阻,R0=Rd,35,首先将电容、电源短路得到交流通路：,小信号模型：,(2)输入电阻,Ri=Rg1/Rg2,(3)输出电阻,R0=Rd,36,首先将电容、电源短路得到交流通路：,小信号模型：,取rds为无穷时：,(2)输入电阻,Ri=Rg1/Rg2,(3)输出电阻,37,输出电阻R0的计算：,vgs=-vT,iT=iR+ir-gmvgs,38,例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。,解.,若管子工作在饱和区，则,=0.2(2-1)2=0.2mA,可见:,说明管子工作在饱和区.,39,gm=2Kn(VGS-VT)=20.2(2-1)=0.4mS,Ri=Rg1/Rg2=60/40=24K,(3)输出电阻,R0=Rd=15K,40,模型,5.3 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister),5.3.1 结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。,箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。,5.3.2 工作原理,（1）VGS对导电沟道的影响：,VP(VGS(OFF)：夹断电压,栅源之间是反偏的PN结，RGS107，所以IG=0,(a)VGS=0，VDS=0，ID=0,结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。,N沟道结型场效应管工作原理：,(c)|VGS|=VP，导电沟道被全夹断,VGS控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。,（2）VDS对iD的影响VDS0 但|VGS-VDS|VP|，时,(a)VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽。VDS ID,工作原理,(b)|VGS-VDS|=|VP|时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断。VGS=0时，产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS,工作原理,(c)VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变。,5.3.2 JFET的特性曲线,VDS=10V时的转移特性曲线,IDSS是在VGS=0，VDS|VP|时的漏极电流,当|vGS-vDS|vP|后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。实验证明，当|vGS-vDS|VP|时，iD可近似表示为：,输出特性曲线,恒流区：(又称饱和区或放大区）,特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流,(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。,用途:可做放大器和恒流源。条件:(1)源端沟道未夹断(2)源端沟道予夹断,可变电阻区,特点:(1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。,（2）管压降vDS 很小。,用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。,条件：源端与漏端沟道都不夹断,夹断区,用途：做无触点的、接通状态 的电子开关。,条件：整个沟道都夹断,特点：,转移特性曲线,输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,1.JFET小信号模型,（1）低频模型,（2）高频模型,5.3.3 应用小信号模型法分析JFET放大电路,1.直流偏置电路,（1）分压式自偏压电路,（2）自偏压电路,vGS,vGS=,0 iDR,2.动态指标分析,（1）低频小信号模型,2.动态指标分析,（2）低频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略 rD,由输入输出回路得,则,通常,则,双极型和场效应型三极管的比较,
