【教学课件】第3章场效应管及其基本放大电路.ppt

第三章场效应管,引言,3.1 结型场效应管,3.3 场效应管的主要参数,3.2 MOS 场效应管,3.5 场效应管电路小信号等效电路分析法,3.4 场效应管放大电路的组态,引 言,场效应管 FET(Field Effect Transistor),类型：,结型 JFET(Junction Field Effect Transistor),绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET),特点：,1.单极性器件(一种载流子导电),3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低,2.输入电阻高(107 1015，IGFET 可高达 1015),3.1 结型场效应管,1.结构与符号,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,2.工作原理,(1)UGS对ID的控制作用(UDS=0),当UDS=0 时，随着GS两极间电压的改变，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，沟道电阻值也改变，从而实现栅源电压对导电沟道的控制作用。,2.UDS对ID的影响（UGS=0）,3.UDS和UGS共同作用,uGS 0，uDS 0,此时 uGD=UGS(off)；,沟道楔型,耗尽层刚相碰时称预夹断。,综上所述：,导电沟道预夹断前，UDS增大iD增大，漏源间呈现电阻特性。但UGS不同，对应的电阻不同，此时场效应管可以看成受UGS控制的可变电阻。导电沟道预夹断后，UDS增大iD几乎不变。但随着UGS增大，iD减小，对应不同的UGS，iD不同。即iD几乎仅仅决定于UGS，而与UDS无关。此时场效应管可以看成受UGS控制的电流源。,3.转移特性和输出特性,UGS(off),当 UGS(off)uGS 0 时,O,O,3.2 MOS 场效应管,MOS 场效应管（绝缘栅场效应管）,N沟道绝缘栅场效应管,P沟道绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,结型场效应管的不足之处：结型场效应管是利用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。其直流输入电阻已达107。但这一电阻实质上是PN结的反偏电阻。在反向 偏置下，PN结还存在着反向饱和电流，因此限制了输入电阻的进一步提高。尤其是温度增高时，反向饱和电流增大，输入电阻将下降。绝缘栅场效应管的结构,绝缘栅场效应管的栅极与沟道间处于绝缘状态。它利用栅源电压的大小，改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制ID的大小，其输入电阻更高，可达10121015。MOS管是绝缘栅场效应管的一种，也是应用最广泛的一种，除MOS外，还有以氮化硅为绝缘层的MNS管，以氧化铝为绝缘层的MALS。它们的区别仅在于半导体表面的绝缘层所用的物质不同。耗尽型当UGS=0时，管内已建立沟道，只要D、S间加上电压，ID0。加上适当极性的UGS，ID就逐渐减小。增强型当UGS=0时，管内尚无导电沟道，这时即使有漏源电压也无漏极电流，即ID=0。只有当UGS具有一定的极性且达到一定数值后，才开始有ID存在。,一、增强型 N 沟道 MOSFETEnhancement NMOSFET(Mental Oxide Semi FET),1.结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 剖面图,绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 立体图,2.工作原理,反型层(沟道),如图所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。,1)uGS 对导电沟道的影响(uDS=0),a.当 UGS=0，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b.当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,c.当 uGS UGS(th)时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS 越大沟道越厚。,结论：UGS 对导电沟道的影响是沟道是平行变化的。uGS 越大导电沟道越厚。,2)UGS、UDS共同作用时的情况当UGSUGS(TH)以后，由于UDS的作用，沿沟道产生了电位梯度，使靠近漏极附近的电压UGD（=UGS-UDS）小于源极附近的电压UGS，漏极附近的电场减弱，反型层变薄，使沟道变为楔型。,c）UDS继续增大，夹断区朝源极方向延伸，而ID则趋于饱和。,UDS对导电沟道的影响,a）若UDS较小，沟道形状变化不大，ID将随UDS的增大而线性增大；,b）若UDS继续增大，漏极附近的沟道将进一步变薄。直至UGDUGS（TH）时，沟道在漏极附近将被夹断。,uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th),DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前：uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,3）预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。,2）预夹断发生之前：uDS，iD。,4）预夹断发生之后：uDS，iD 不变。,UDS和UGS共同作用对导电沟道的影响,结论：1）UDS对导电沟道的影响使沟道不再平行而是变为楔型。,3.转移特性曲线,UDS=10 V,UGS(th),当 uGS UGS(th)时：,uGS=2UGS(th)时的 iD 值,开启电压,O,4.输出特性曲线,可变电阻区,uDS uGS UGS(th),uDS iD，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th)，导电沟道未形成，全夹断 iD=0,截止区,饱和区,可变电阻区,放大区,恒流区,O,曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。,UGS不同，曲线的斜率不同，rDS也不相同。通过控制 UGS，就可以 得到需要的电阻。,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET(Depletion NMOSFET),Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS=0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD,这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na+或K+)，这些正离子的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。,当UGS 0，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流iG，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽。在UDS作用下，iD将具有更大的数值。如果所加的栅源电压ugs为负，则使沟道中感应的负电荷减少，沟道变窄，从而使漏极电流减小。当ugs为负电压到达某值时，以致感应的负电荷消失，耗尽层扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏源电压，也不会有漏极电流。,输出特性,转移特性,IDSS,UGS(off),夹断电压,饱和漏极电流,当 uGS UGS(off)时，,O,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,FET 符号、特性的比较,N 沟道结型,P 沟道结型,3.3 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型)夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 uDS=某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS 值。,UGS(th),2.饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。,3.直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。,JFET：RGS 107,MOSFET：RGS=109 1015,4.低频跨导 gm,反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西(mS),O,PDM=uDS iD，受温度限制。,5.漏源动态电阻 rds,6.最大漏极功耗 PDM,3.4 场效应管放大电路的组态,三种组态：,共源、共漏、共栅,特点：,输入电阻极高，噪声低，热稳定性好,一、直流偏置电路,1.自给偏压电路,2.分压式自偏压电路,调整电阻的大小，可获得：,UGSQ 0,UGSQ=0,UGSQ 0,例 3.4 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG=1 M，RS=2 k，RD=12 k，VDD=20 V。IDSS=4 mA，UGS(off)=4 V，求 iD。,iG=0,uGS=iDRS,栅极电阻 RG 的作用：,(1)为栅偏压提供通路,(2)泻放栅极积累电荷,源极电阻 RS 的作用：,提供负栅偏压,漏极电阻 RD 的作用：,把 iD 的变化变为 uDS 的变化,UGSQ=UGQ USQ=IDQRS,3.5 场效应管电路小信号等效电路分析法,小信号模型,从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。,从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源。,id=gmugs,一、场效应管等效电路分析法,例 gm=0.65 mA/V，ui=20sint(mV)，求交流输出 uo。,交流通路,小信号等效电路,ui=ugs+gmugsRS,ugs=ui/(1+gmRS),uo=gmui RD/(1+gmRS),=36sin t(mV),二、性能指标分析,1.共源放大电路,有 CS 时：,无 CS 时：,Ri、Ro 不变,2.共漏放大电路,io,Ro,