《电工学场效应》PPT课件.ppt

15.9场效应三极管,场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,2,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：,3,15.9.1绝缘栅型场效应管 MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 1010 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,4,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,5,1.工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,2.工作原理分析,(1)UGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,6,(2)UDS=0，0 UGS UGS(th),栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,(3)UDS=0，UGS UGS(th),由于吸引了足够多P型衬底的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层,反型层、N 型导电沟道。UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。,UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,7,(4)UDS 对导电沟道的影响(UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。可变电阻区,b.UDS=UGS UT，UGD=UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。预夹断,c.UDS UGS UT，UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，增大部分全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，iD因而基本不变。恒流区,a.UDS UT,8,图 UDS 对导电沟道的影响,(a)UGD UT,(b)UGD=UT,(c)UGD UT,在UDS UGS UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,9,3.特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UT，iD=0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UT 时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,图(a),图(b),10,二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；,UGS=UP,感应电荷被“耗尽”，iD 0。,UP或UGS(off)称为夹断电压，负值,11,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的符号,N 沟道耗尽型MOSFET,12,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当UGS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。,13,场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2.夹断电压 UP 或UGS(off),3.开启电压 UT 或UGS(th),4.直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流，为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109。,14,二、交流参数,1.低频跨导 gm 受控源参数,2.极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,15,跨导gm,=ID/UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,16,三、极限参数,3.漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 U(BR)DS,4.栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,1.最大漏极电流IDM,17,场效应管放大电路小结,(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。,18,晶体管,场效应管,结构,NPN型、PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,绝缘栅增强型 N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子 多子扩散少子漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(),电压控制电流源VCCS(gm),场效应管与晶体管的比较,19,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,晶体管,场效应管,20,15.9.2 场效应管放大电路,1.电路的组成原则及分析方法,(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流（ID）区。,(2)动态:能为交流信号提供通路。,组成原则,分析方法,21,N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 符号及特性曲线,22,跨导gm=ID/UGS,id=gmugs,23,2 场效应管的微变等效电路,24,场效应管的微变等效电路,压控电流源（VCCS）,流控电流源(CCCS),对照,25,3 场效应管放大电路,注：栅极无电流UGSRSISRSIDUDSUDD RDID RSIS=UDD ID(RD+RS),电路中元件作用：RG栅极电阻RS源极电阻RD漏极电阻CS源极旁路电容,SEE P82,思考：自给偏压共源极放大电路动静态分析。,26,RL,uo,C2,思考：自给偏压共源极放大电路动静态分析。,SEE P82,27,4 分压式偏置电路静态分析,无输入信号时（ui=0），估算：UDS和 ID。,uo,R1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V,P84例,28,IG=0,直流通道,计算得：,29,动态分析,微变等效电路,30,动态分析：,电压放大倍数,负号表示输出输入反相,31,电压放大倍数估算,=-1.5（10/10）=-7.5,R1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V,32,ro=RD=10K,输入电阻、输出电阻,=1+0.2/0.051=1.0407M,ri=RG+R1/R2,R1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V,33,5 源极输出器,R1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V,34,静态工作点:,计算得：,IG=0,35,微变等效电路：,36,微变等效电路：,Uo=Id(RS/RL)=gm Ugs RL,37,求ri,ri=RG+R1/R2,38,求ro,加压求流法,39,ri=RG+R1/R2,+UDD+20V,=1.5(10/10)/1+1.5(10/10)=0.88,=10/(1+1.5 10)=0.625 k,代入数值计算,=1+0.2/0.051=1.0407 M,R1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/V,40,例,电路如图1所示，其中管子T的输出特性曲线如图2所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,图1,图2,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)4V,41,解,(1)ui为0V，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0 VDD 15V,(2)uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V,(3)uGSui10V时，,若工作在恒流区，iD 2.2mA。因而u0 15-2.2*5 4V,但是，uGS 10V时的预夹断电压为,uDS=uGS UT=(10-4)V=6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,42,从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,