第三章场效应管g课件.ppt

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1、2 场效应管及其基本放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,概 述,场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。,场效应管与三极管主要区别：,场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。,场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。,场效应管分类：,1 MOS场效应管,N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。,1.1 增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,N沟道EMO

2、S管外部工作条件,VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)。,U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。,VGS 0 (形成导电沟道),N沟道EMOS管工作原理,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS =0，讨论VGS作用,VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。,VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th) 且保持不变）,VDS很小时 VGD VGS 。此时W近似不变，即Ron不变。,由图 VGD = VGS - VDS,因此 VDSID线性 。,若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢。,当VDS增加到使VGD =VGS(th)时 A点出现预夹

3、断,若VDS 继续A点左移出现夹断区,此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）,若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。,因此预夹断后：,VDS ID 基本维持不变。,若考虑沟道长度调制效应,则VDS 沟道长度l 沟道电阻Ron略。,因此 VDS ID略。,由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线：,曲线形状类似三极管输出特性。,MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称单极型器件。,三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。,利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极

4、电流ID。,MOSFET工作原理：,由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,伏安特性,转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。,NEMOS管输出特性曲线,非饱和区,特点：,ID同时受VGS与VDS的控制。,当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；,当VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,数学模型：,此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：,VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：,其中：W、l 为沟道的宽度和

5、长度。,COX （= / OX）为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,饱和区,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。,注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：,工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。,通常 =( 0.005 0.03 )V-1,截止区,特点：,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条

6、件：,VGS VGS(th),ID=0以下的工作区域。,IG0，ID0,击穿区,VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。,VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th) = 3V,VDS = 5V,转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。,VDS = 5V,转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启电压VGS（th） 。,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即 VDS 0 、VGS 0,外加电压极性相反、电流ID流向相反。,不同之处：,电路符号中的箭头方向相反。

7、,1.2 耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,NDMOS管伏安特性,VDS 0，VGS 正、负、零均可。,外部工作条件：,DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。,PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。,1.3 四种MOS场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型,VDS极性取决于沟道类型,N沟道：VDS 0， P沟道：VDS 0,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。,耗尽型MOS管： VGS 取值任意。,饱和区数学模型与管子类型无关,临界饱和工作条件,非饱和区（可变电

8、阻区）工作条件,|VDS | = | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) | ，,饱和区（放大区）工作条件,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,非饱和区（可变电阻区）数学模型,2 结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,N沟道JFET管外部工作条件,VDS 0 (保证栅漏PN结反偏),VGS 0 (保证栅源PN结反偏),2.1 JFET管工作原理,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,VDS很小时 VGD VGS,由图 VGD = VGS -

9、 VDS,因此 VDSID线性 ,若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢,VDS对沟道的控制（假设VGS 一定）,此时W近似不变,即Ron不变,当VDS增加到使VGD =VGS(off)时 A点出现预夹断,若VDS 继续A点下移出现夹断区,此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(off) +VGS （恒定）,若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。,因此预夹断后：,VDS ID 基本维持不变。,利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。,JFET工作原理：,综上所述，J

10、FET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。,uDGUGS（off）,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于uGS,击穿区,夹断区（截止区）,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,2. 绝缘栅型场效应管,uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,SiO2绝缘层,衬底,反型层,增强型管,大到

11、一定值才开启,增强型MOS管uDS对iD的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS（th）,预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,耗尽型 MOS管,耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断

12、电压,3. 场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,场效应管与三极管性能比较,4 场效应管的小信号电路模型,MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照),rds为场效应管输出电阻：,由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs 。,而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。,与三极管输出电阻表达式 相似。,MOS管跨导,利用,得,三极管跨导,通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。,计及衬底效应的MOS管

13、简化电路模型,考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。,gmu称背栅跨导，工程上, 为常数，一般 = 0.1 0.2,MOS管高频小信号电路模型,当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。,利用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路,将FET用小信号电路模型代替,计算微变参数gm、rds,注：具体分析将在第四章中详细介绍。,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,（1）分压偏置电路,Q点估算：,电路特点：,分压偏置电路不仅适用于三极管，同时适用于各种类型的场效应管。,（2）自偏置电路,Q点估算：,电路特点：,故自偏置电路只适合于耗尽型场效应管,由于VDS与VGS极性始终相反,例如：JFET、DMOS管,（3）零偏置电路,Q点估算：,电路特点：,由于VGS=0，故零偏置电路只适合耗尽型MOS管。,由于RS=0，故该电路不具有稳定Q点的功能。,共源放大器,场效应管电路性能特点、分析方法与三极管放大器相似。不同之处仅在于，FET管的ig=0。,三、场效应管放大电路的动态分析,共栅放大器,因为,所以,而,共漏放大器,经推导,FET三种组态电路性能比较,小,大,小,大,大,1,大,大,大,