场效应管及其放大电路2.ppt
单极型三极管及其放大电路,单极型三极管又称场效应管，是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。,结型场效应管,按结构不同场效应管有两种:,绝缘栅型场效应管,按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分,一、结型场效应管,（a）结构,图沟道结型场效应管,动画,结型场效应管工作原理,结型场效应管工作时要求PN结反向偏置，因此，栅极电位必须低于源极和漏极电位。,图,结型场效应管工作原理,当G、S两极间电压VGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压VGS控制电流iD的目的。,动画,二、绝缘栅场效应管,漏极D,栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,(1)N沟道增强型管的结构,栅极G,源极S,1.增强型绝缘栅场效应管,：以一块掺杂浓度较低的P型硅片作衬底，在衬底上面的左、右两侧利用扩散的方法形成两个高掺杂的N+区,并用金属铝引出两个电极，作为源极S和漏极D,B,符号：,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014。,由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,B,箭头方向：PN结加正偏时的电流方向,(2)N沟道增强型管的工作原理,由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。,当栅源电压UGS=0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。,N型导电沟道,反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道（N沟道），当加上漏源电压UDS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。,当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。,N型导电沟道,当UGS UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。,（3）特性曲线,由转移特性曲线可见，当UGSUGS(th)时，导电沟道没有形成，ID=0。当UGSUGS(th)时，开始形成导电沟道，并随着UGS的增大，导电沟道变宽，沟道电阻变小，电流ID增大。,输入特性曲线,输出特性曲线,当UGS 为常数且UDS UGS-UGS(th)时，iD与UDS成线性关系，为一线性电阻。,当UDS增大到UDS UGS-UGS(th)，漏极附近的反型层消失，此时称为沟道预夹断。以后进入饱和（放大）区。,动画,输出特性曲线,UGS-UGS(th),UGS=常数（UGS(th)）,1.段 0 UDS UGS-UGS(th),2.段 UDS UGS-UGS(th),3.段 UDS达到一定值时，进入击穿状态。,图2.2.5（b）,饱和（放大）区,图为输出特性曲线，分为可变电阻区、恒流区（放大区）、夹断区和击穿区，,输出特性曲线,可变电阻区,截止区,符号：,结构,(4)P沟道增强型,SiO2绝缘层,加电压才形成 P型导电沟道,增强型场效应管只有当UGS UGS(th）时才形成导电沟道。,2、耗尽型N沟道MOS场效应管,图2.2.6 耗尽型NMOS管的结构及其图形符号,N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，这些正离子的存在，使得UGS=0时，就有垂直电场进入半导体，并吸引自由电子到半导体的表层而形成N型导电沟道。,耗尽型特性曲线,从图中可以看出，这种MOS管可正可负，且栅源电压UGS为零时，灵活性较大。当UGS=0时，靠绝缘层中正离子在P型衬底中感应出足够的电子，而形成N型导电沟道，获得一定的IDSS。当UGS0时，垂直电场增强，导电沟道变宽，电流ID增大。当UGS0时，垂直电场减弱，导电沟道变窄，电流ID减小。当UGS=U GS(off)时，导电沟道全夹断，ID=0。,耗尽型输出特性曲线,图2.2.7(a)输出特性曲线,U,D,S,/,V,8,12,16,0,2,4,6,8,U,G,S,0,恒流区,4,10,12,2 V,1 V,2,6,10,14,1 V,2 V,可变电,阻 区,I,D,/,m,A,耗尽型,G、S之间加一定电压才形成导电沟道,在制造时就具有原始导电沟道,场效应管的主要参数,(1)开启电压 UGS(th)：是增强型MOS管的参数(2)夹断电压 UGS(off)：(3)饱和漏电流 IDSS：,(4)低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力,极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。,场效应管与晶体管的比较,类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道,放大参数,使用MOSFET中的注意事项,结构上漏极和源极可以互换，前提是衬底有引线引出。原理上MOSFET是绝缘栅输入结构，没有电荷的泄放通道，极易造成静电击穿。存取时尤须注意。MOSFET在焊接时，静电击穿的危险更大。所以无论器件内部是否有静电保护，均须接地良好焊接或断电后余热焊接。,三、场效应管放大电路,场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。,场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。,场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。,场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。,1.自给偏压式偏置电路,栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。,UGS=RSIS=RSID,T为N沟道耗尽型场效应管,增强型MOS管因UGS=0时，ID 0，故不能采用自给偏压式电路。,2.分压式偏置电路分析,(1)静态分析,估算法：,列出静态时的关系式,流过 RG 的电流为零,场效应管电路小信号等效电路,(2)动态分析,电压放大倍数,交流通路,输入电阻,输出电阻,RG是为了提高输入电阻ri而设置的。,
