模拟电子技术 场效应管及其基本放大电路课件.ppt
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1、模拟电子技术,第3章 场效应管及其基本放大电路,学习目标,了解场效应管的结构和类型掌握绝缘栅型场效应管及结型场效应管的工作原理、特性和主要参数掌握场效应管的小信号模型,掌握共源极、共漏极两种基本场效应管放大电路的工作原理、静态和动态分析方法,3.1 场效应管基本知识3.2 场效应管的主要参数3.3 场效应管放大电路组成原理3.4 场效应管与晶体管的比较*3.5 电路仿真实例,3.1 场效应管基本知识,场效应管利用输入回路的电场效应(电压)来控制输出回路电流的一种半导体器件。主要特点:输入电阻高(1071012欧姆)仅靠多数载流子导电,即单极型晶体管。优点:具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长
2、等优点 输入内阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制作工艺简单,3.1.1 绝缘栅型场效应管,绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductor),简称为MOSFET。其输入电阻很高,可达1015以上。,(1)结构和符号,1.N沟道增强型MOS场效应管,箭头方向是表示由P(衬底)指向N(沟道),符号中的断线表示当UGS=0 时,导电沟道不存在。,(2)工作原理栅源电压UGS的控制作用,无栅压时:当UGS=0时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,因此,即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流,即管子截止。,加正的栅压时(当UGS0时),栅源电压UGS对导电沟道有控制作
3、用:,当UGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,再增加UGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道,如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流id。,定义:开启电压(UGS(th))刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性:UGS UGS(th),管子截止,UGS UGS(th),管子导通。UGS 越大,沟道越宽,在相同的漏源电压UDS作用下,漏极电流iD越大。,漏源电压UDS对沟道导电能力的影响,当UGS UGS(th)且固定为某值的情况下,(1)UDS iD;同时沟道靠漏区变窄,沟道呈锥形分布.,(2)当UDS增加到使UGD=UGS(th
4、)时,沟道靠漏区夹断,称为预夹断。,(3)UDS再增加,预夹断区加长,UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上,iD基本不变。,(3)特性曲线,输出特性曲线,(a)夹断区(截止区)(b)可变电阻区(预夹断前)(c)恒流区也称饱和区(预夹 断后)(d)击穿区,转移特性曲线,转移特性能更好的体现栅极电压对漏极电流的控制作用。研究表明,iD与UGS的近似关系为:,【例3.1】电路和场效应管的传输特性如图3.1.6所示,试分析uI为0V、8V和10V时,uO分别为多少?,解(1)uGSuI0V,管子处于夹断状态,iD0,uOuDSVDDiDRD=15V。(2)uGSuI8V,管子处于恒流区状态,
5、iD1mA,uOuDSVDDiDRD=10V;可以看到(uGS,uDS)(8,10)仍在恒流区。(需要反向复核,即恒流和可变电阻区是由uGS和 uDS共同确定,需先假设一种状态,再验证)(3)uGSuI10V,假设工作在恒流区,iD2.2mA。则uOuDSVDDiDRD=4V.而 uGS10V时的预夹断电压uDS uGSUGS(off)=10-4=6V,(uGS,uDS)(10,6)说明应在可变电阻区。则RdsuDS/iD=3/(110-3)=3000,(1)结构和符号 耗尽型MOS场效应管与增强型MOS场效应管的结构基本相同。区别在于,耗尽型MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量正离子。因此,在
6、uGS0时,这些正离子已经感应出反型层,有了导电沟道。这种无外加电压时已有导电沟道的场效应管称为耗尽型场效应管。,2.N沟道耗尽型MOS场效管,(2)工作原理 当uGS为负值,抵消掉部分正离子的影响,沟道变窄,在相同的uDS作用下,iD减小。之所以称为耗尽型,是因为当uGS为负,将使沟道中感应电荷减少(即耗尽的意思)。随着uGS的减小,iD逐渐减小,直至iD=0。此时的uGS值称为夹断电压 UGS(off)。当uGS为正值,沟道变宽,在相同的uDS作用下,iD增加。所以耗尽型MOS管可以在负栅压、零栅压和正栅压下工作。结论:栅极电压对导电沟道有控制作用。同样,电压uGS固定时,电压uDS对导电
7、沟道的影响类似增强型MOS管。,(3)特性曲线研究表明,uGS与iD的近似关系为:,3.P沟道MOS场效应管,左图为P沟道增强型MOS场效应管的符号。由于和N沟道增强型MOS场效应管是对偶结构,所以使用时所加栅源电压的极性与N沟道增强型MOS管相反,同时漏极电流的参考方向仍选取流入漏极,所以漏极电流为负。除此之外,这两者特性均相同。,P沟道增强型MOS场效应管的特性曲线,P沟道耗尽型MOS场效管的符号及特性曲线,3.1.2 结型场效应管(JFET),1结构和符号,N型导电沟道,2工作原理,uGS=0V时,沟道最宽,沟道电阻最小。,uGSuGS(off)栅源之间加上负的栅压后,两个PN结均为反偏
8、,空间电荷区变宽,沟道变窄。uGS=uGS(off)时,两侧的耗尽区逐渐变宽而合拢,使导电沟道消失。,0uGS uGS(off)且为某个固定值时,在源极与漏极之间存在导电沟道。当有uDS电压,就会有沟道电流。,当uDS电压为某个固定值时,改变uGS的大小,可以控制iD的大小。uGS反压增加,耗尽层变宽,沟道变窄,则iD减少,反之则耗尽层变窄,沟道变宽,则iD增加。因此,栅极电压uGS对沟道电流iD的控制作用类似MOS管。,当栅源之间的电压为满足0 uGS uGS(off)的某个固定值时,有uDS电压就产生沟道电流iD。此时在uDS电压的作用下,耗尽层是上宽下窄,导电沟道呈现为倒楔形。,当uDS
9、增加到使uDS=uGS-uDS=uGS(off)时,在紧靠漏极处出现预夹断点。,当uDS继续增加时,预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。此时沟道电流iD基本维持不变。即漏源电压uDS对iD的影响和MOSFET类似。,JFET也有四个工作区 夹断区(截止区)可变电阻区(预夹断前)恒流区也称饱和区(预夹断后)击穿区,3特性曲线,(1)输出特性曲线,N沟道JFET输出特性曲线,(2)转移特性,在恒流区,JFET的转移特性方程与耗尽型MOSFET相似,仍可近似表示为:上式必须满足条件0 uGS uGS(off)。IDSS为uGS=0时的饱和漏极电流。,4.P沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管的结构和N
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