第3章场效应管及其基本放大电路.ppt

《第3章场效应管及其基本放大电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章场效应管及其基本放大电路.ppt（51页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第3章 场效应管及其基本放大电路,3.1结形场效应管3.2砷化镓金属-半导体场效应管3.3金属-氧化物-半导体场效应管3.4场效应管放大电路3.5各种放大器件电路性能比较,3.1 场效应晶体管(FET）,分类和结构：结型场效应晶体管JFET绝缘栅型场效应晶体管IGFET,N,P,PN结耗尽层,P,源极 门极 漏极S G D,JFET结构,IGFET结构,N沟道,3.1结型场效应晶体管JFET,1)P 沟道和N沟道结构及电路符号,2)工作等效（以P沟道为例）,Ugs,Is,Id,1）PN结不加反向电压（Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称

2、可变电阻区；ID=UDs/RDs,RDS,P,N,N,G,ID,IS=ID,PN结,PN结,+,+,-,UGS增大耗尽层加厚。,UGS=0：ID=IDSS,电路图 等效图,2）恒流工作（电压控制电流源）,PN结加反向电压（Ugs)使沟道微闭合时电流ID与UDS无关，称恒流区。ID=IDSS（1-）2,ugs,vP,电路图 等效图,3）截止工作,P,N,N,G,ID=0,IS=ID,PN结,PN结,+,+,-,RD,VDD,UGS,耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去,栅极电压UGS大于等夹断电压UP时，ID=0相当一个很大的电阻,3)、JFET的主要参数,1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微

3、小值时的VGS2）饱和漏极电流IDSS;VGS=0，时的ID,5)极限参数：V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。PDM 最大漏极允许功耗，与三极管类似。,3)、电压控制电流系数gm=,4）交流输出电阻 rds=,4）特性曲线：,与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：,0,ugs,(v),-4-3-2-1,id,mA,54321,VP,IDSS,N型JFET的转移曲线,UDS,可变电阻区,截止区IB0,UDS=UGS-VP,N型JFET的输出特性曲线,-4V,-2.0V,-1V,UGS=0V,

4、ma,（V）,ID,放大区,0,击穿区,Sect,3.3 MOSFET,增强型MOSFET,耗尽型MOSFET,N沟道增强型MOS场效应管结构,3.3.1增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,Sect,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时,沟道

5、加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,Sect,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UT,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因子,Sect,N

6、沟道增强型MOS场效应管特性曲线,UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,1.可变电阻区：ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS,当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区,Sect,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变,3.击穿区：UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS 增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,Sect,漏源电压UDS对漏极电流ID的

7、控制作用,UDS=UDGUGS=UGDUGS UGD=UGSUDS,当UDS为0或较小时，相当 UGDUT，,此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID,Sect,Sect,基础知识,当UDS增加到使UGD=UT时，,当UDS增加到UGDUT时，,增强型MOS管,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态,NMO

8、S管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,Sect,N沟道耗尽型MOS场效应管结构,3.3.2耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,Sect,N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。,N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,转移特性曲线,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UP)2,沟道较短时，,IDK(UGS-UT)2（1+

9、UDS),ID IDSS(1-UGS/UP)2,常用关系式：,Sect,N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0,Sect,3.3.3各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,Sect,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,Sect,场效应管的主要参数,直流参数,交流参数,极限参数,Sect,2.夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,Se

10、ct,4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,5.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,Sect,1.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的求法:图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2,Sect,2.衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,Sect,3.漏极电阻rds

11、,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率,4.导通电阻Ron,在恒阻区内,Sect,5.极间电容,Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容Csb 源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,Sect,3.3、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）,分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和 PMOS两种：1)NMOS（Metal Oxidized Semiconductor),NMOS（D）,2）P沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor),源极 门极 漏极S G D

12、,增强型P沟道示意,B 基底,PMOS（E）,N衬底,P,P,源极 门极 漏极S G D,耗尽型P沟道示意,B 基底,Sio2,Sio2,P沟道,G,D,S,G,G,G,B,B,-,-,PMOS（D）,(1)工作状态示意图,P衬底,N,N,S G D,UGS,UDS,B,ID,耗尽区,+,-,(2)IGFET 工作原理(NMOS),耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压VT，（相当于三极管死区电压）。当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0当UGS高于VT时，漏源之间加电压后。ID=ID0（-1）2；IDO为2VT时的ID 当UDS小于等于

13、UGS-VT时，进入可变电阻区,UGS,VT,gm,=,2ID0(UGS-1),VT,=,VT,(3)IGFET（E）特性曲线,UDS,可变电阻区,截止区IB0,UDS=UGS-VT,NMOS的输出特性曲线,2.0V,4.0V,6.0V,UGS=8.0V,A,ID,放大区,0,击穿区,UDS=5V,UGS,V,ID A,0 2 4 6 8,20015010050,20015010050,NMOS的转移特性曲线,(4)主要参数：,1）开启电压VT:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDO;VGS=2VT时的ID3)、电压控制电流系数gm=也称跨导（互导）4）交流输出电阻 rds=

14、5)极限参数：V（BR）DS 漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS 栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗，与三极管类似。,vgs,id,Uds=常数,uds,id,vgs=常数,=,3）FET的三种工作组态,以NMOS（E）为例：,ID,G,RD,S,B,UDS,输入,输出,共栅组态：输入：GS输出：DS,一.结型场效应管,1.结型场效应管的结构（以N沟为例）：,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：G：栅极 D：漏极 S：源极,符号：,3.4 场效应管放大电路,2.结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压VGS，令VDS=0 当VGS=0时，为平衡

15、PN结，导电沟道最宽。,当VGS时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当VGS到一定值时，沟道会完全合拢。,定义：夹断电压Up使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS。,（2）漏源电压对沟道的控制作用,在漏源间加电压VDS，令VGS=0 由于VGS=0，所以导电沟道最宽。当VDS=0时，ID=0。,VDSID 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当VDS，使VGD=VG S-VDS=VP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前，VDSID。预夹断后，VDSID 几乎不变。,VDS再，预夹断点下移。,（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用,可用输两组特性

16、曲线来描绘。,ID=f（VGS、VDS）,（1）输出特性曲线：ID=f（VDS）VGS=常数,3 结型场效应三极管的特性曲线,四个区：可变电阻区：预夹断前。电流饱和区（恒流区）：预夹断后。特点：ID/VGS 常数=gm 即：ID=gm VGS（放大原理）击穿区。夹断区（截止区）。,(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲演示：动画（2-6）动画（2-7）,（2）转移特性曲线：ID=f（VGS）VDS=常数,4.场效应管的主要参数,(1)开启电压VT VT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,（2）夹断电压VP VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS

17、=VP时,漏极电流为零。,（3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET,当VGS=0时所对应的漏极电流。,（4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管,RGS可达1091015。,（5）低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。,（6）最大漏极功耗PDM PDM=VDS ID，与双极型三极管的PCM相当。,1.直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真,二.场效应管放大电路,（1）自偏压电路,vGS,vGS=-iDR,注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。,计算Q点：VGS、ID、VDS,vGS=

18、,VDS=VDD-ID(Rd+R),已知VP，由,-iDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,（2）分压式自偏压电路,VDS=VDD-ID(Rd+R),可解出Q点的VGS、ID、VDS,计算Q点：,已知VP，由,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,2.场效应管的交流小信号模型,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。,其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。,三.放大电路,1.共源放大电路,分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻,（4）求输出电阻,忽略 rd,由输入输出回路得,则,则,由于rgs=,（2）电压放大倍数,（3）输入电阻,得,分析：,（1）画交流小信号等效电路。,由,2.共漏放大电路,（4）输出电阻,所以,由图有,