場效應(yīng)管及基本放大電路李林.ppt

第五章 場效應(yīng)管及基本放大電路,MOS場效應(yīng)管 結(jié)型場效應(yīng)管 場效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路 場效應(yīng)管基本放大電路,第一節(jié),第二節(jié),第三節(jié),第四節(jié),第一節(jié) MOS場效應(yīng)極管,場效應(yīng)管：是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。,1.根據(jù)載流子來劃分： N溝道器件：電子作為載流子的。 P溝道器件：空穴作為載流子的。,2.根據(jù)結(jié)構(gòu)來劃分： 結(jié)型場效應(yīng)管JFET： 絕緣柵型場效應(yīng)管IGFET：,(一) 增強型MOSFET結(jié)構(gòu),N溝道增強型MOSFET 的結(jié)構(gòu)如圖： D為漏極，相當C； G為柵極，相當B； S為源極，相當E。,一、 N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的工作原理,絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET分為： 增強型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道,N溝道增強型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖,柵壓為零時 有溝道,柵壓為零時 無溝道,P型硅作襯 底濃度較低 引出電極B,在P型襯底上生成 SiO2薄膜絕緣層 引出電極G極,用光刻工藝擴散兩 個高摻雜的N型區(qū)， 從N型區(qū)引出電極： S極和D極,由于BS短接,G與襯底B間產(chǎn)生電場，電子被正極板吸引,空穴被排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。 耗盡層中的少子電子，將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍不能形成漏極電流ID。,1柵源電壓UGS的控制作用,漏源之間相當兩個背靠背的 二極管， 在D、S之間加上電壓不會在D、S 間形成電流。即:ID=0,（二） 工作原理,(1).當UGS=0V時:,(2).0UGSUT時:,(3).當UGS=UT:( UT 稱為開啟電壓),1.在UGS=0V時ID=0; 2.只有當UGSUT后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。,出現(xiàn)反型層,與N形成一體,形成導(dǎo)電溝道; 當UDS0時: D 溝道 S之間形成漏極電流。,(4).當UGS UT:( UT 稱為開啟電壓),隨著UGS的繼續(xù)增加，溝道加厚，溝道電阻，ID將不斷,（續(xù)）工作原理,(1).轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 (2).gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下：,圖03.14 轉(zhuǎn)移特性曲線,gm=ID/UGS UDS=const (單位mA/V),（三）特性曲線,UGS對ID的控制關(guān)系可用如下曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,ID=f(UGS)UDS=const,1.轉(zhuǎn)移特性曲線,如圖：,(1).UGSUT時： 溝道未形成， ID =0管子處于截止狀態(tài),(2).UGSUT時： 溝道形成， ID 0,隨UGS溝道加厚溝道電阻 ID,UDS正向減小，曲線右移，但UDS不同的曲線差別很小,在恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線中ID 與UDS的關(guān)系為：,ID =K(UGS -UT)2 ; 式中K為導(dǎo)電因子,ID =(UGS -UT)2n COXW/2L,短溝道時：ID =K(UGS -UT)2(1+ UDS),且UGS固定為某一很小值時： UDS與漏極電流ID之間呈線性關(guān)系。,圖03.15(a) 漏源電壓UDS對溝道的影響,(動畫2-5),2輸出特性曲線,此時有如下關(guān)系:,（1）可變電阻區(qū)UGSUT:,反映了漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用：,ID=f(UDS)UGS=const,ID =K(UGS -UT)2UDS,由上式可知: UGS一定恒流區(qū)內(nèi)：,Ron = dUDS / dID|dUGS =0,Ron = L / n COXW (UGS -UT),1 . UGS恒定時近似為常數(shù)。 2 . Ron隨UGS而變化，故稱 可變電阻區(qū)。,圖03.16 漏極輸出特性曲線,當UDS = UGS -UT時: (由于的存在，導(dǎo)電溝道不均勻) 此時漏極端的導(dǎo)電溝道將開始消失（稱預(yù)夾斷）,(2) 恒流區(qū)：UDS = 0或較小時:(即UGDUT),當UGS一定時：ID隨UDS基本不變， ID恒定稱恒流區(qū)。,當UDS UGS -UT時: 隨UDS夾斷點向移動，耗盡層的電阻很高（高于溝道電阻）所以新增UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，ID不隨UDS而變。,(3) 擊穿區(qū)： 當UDS 增加到某一臨界值時， ID （急?。┘碊與襯底之間擊穿。,漏源電壓UDS對溝 道的影響,圖03.16 漏極輸出特性曲線,當UGSUT，且固定為某一值時: UDS對ID的影響的關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。,UGS0時； 隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小， 直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷 電壓，用符號UGS(off)表示，有時也用UP表示。,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖所示，,(二)N溝道耗盡型MOSFET,當UGS=0時； 正離子已感應(yīng)出反型層，在漏 源之間形成了溝道。只要有漏 源電壓，就有漏極電流存在。,(a) 結(jié)構(gòu)示意圖,在柵極下方的SiO2 絕緣層中摻入了大 量的金屬正離子。,當UGS0時； 將使ID進一步增加。,圖03.17 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線,N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線:,如圖所示,N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線:,圖03.18N溝道耗盡型的輸出特性曲線,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同。 區(qū)別是導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同。 同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。,(三)P溝道耗盡型MOSFET,場效應(yīng)管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道不同，以及增強型還是耗盡型,可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。 如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。 為便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。 有關(guān)曲線繪于下圖之中。,2. 伏安特性曲線,圖03.18 各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線,絕緣柵場效應(yīng)管,N 溝 道 增 強 型,P 溝 道 增 強 型,絕緣柵場效應(yīng)管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,結(jié)型場效應(yīng)管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,第二節(jié) 結(jié)型場效應(yīng)三極管,JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似， 工作機理也相同。如圖: 在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。 P區(qū)即為柵極; N型硅的一端是漏極; 另一端是源極。,圖03.19 結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu),一.結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu):,柵極,漏極,源極,二.結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理,結(jié)型場效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作反偏的條件下。 N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負柵壓區(qū)。 P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流。 現(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。,柵源電壓對溝道的控制作用,4.當漏極電流為零時所對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP、這一過程如圖02.20所示。,1. 當UGS=0時: 耗盡層、溝道寬，溝道電阻小，N區(qū)電子隨UDS ，產(chǎn)生 ID并。,2.當UGS0時（即負壓）時: PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小。,3.當UGS繼續(xù)減小（即負壓 ）： 溝道繼續(xù)變窄，并在極附近耗盡層相遇，稱預(yù)夾斷，ID繼續(xù)減小直至為0。,圖02.21 漏源電壓對溝道的控制作用,漏源電壓對溝道的控制作用,當UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)時； 在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷，所示。 當UDS繼續(xù)增加； 漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。 以上過程與絕緣柵場效應(yīng)管十分相似，見圖03.15。,當UGSUGS(off)； 若漏源電壓UDS從零開始增加，則UGD=UGS-UDS將隨 之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從 左至右呈楔形分布，所示。,(三)結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線,它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正可負， 而結(jié)型場效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。,JFET的特性曲線有兩條：,轉(zhuǎn)移特性曲線：,輸出特性：,場效應(yīng)管,1. 分類,按導(dǎo)電溝道分,N 溝道,P 溝道,按結(jié)構(gòu)分,絕緣柵型 (MOS),結(jié)型,按特性分,增強型,耗盡型,uGS = 0 時， iD = 0,uGS = 0 時， iD 0,增強型,耗盡型,(耗盡型),2. 特點,柵源電壓改變溝道寬度從而控制漏極電流,輸入電阻高，工藝簡單，易集成,由于 FET 無柵極電流，故采用轉(zhuǎn)移特性和 輸出特性描述,3. 特性,不同類型 FET 的特性比較參見 表5-2 第 16 4頁,不同類型 FET 轉(zhuǎn)移特性比較,結(jié)型,N 溝道,增強型,耗盡型,MOS 管,(耗盡型),IDSS,開啟電壓 UGS(th),夾斷電壓UGS(off),IDO 是 uGS = 2UGS(th) 時的 iD 值,第三節(jié) 場效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路,一 場效應(yīng)管的直流參數(shù) 二 場效應(yīng)管的微變參數(shù) 三 場效應(yīng)管的型號 四 場效應(yīng)管的微變等效電路,開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通(即IG =0)。,夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當漏極電流為零時, UGS=U P,耗盡型場效應(yīng)三極管當UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。,一 場效應(yīng)三極管的直流參數(shù),開啟電壓 UT,夾斷電壓UP,飽和漏極電流IDSS,場效應(yīng)管柵源輸入電阻RGS： 柵源間加固定電壓UGS柵極電流IGS之比，輸入電阻的典型值: 結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時RGS約大于107， 絕緣柵場效應(yīng)管RGS約是1091015。,漏源、柵源擊穿電壓BUDS 、 B UGS,低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn) 移 特性曲線上求取，單位是mA/V或mS(毫西門子)。,二 場效應(yīng)管的微變參數(shù),(1).圖解法求解：在曲線上作切線，其斜率為gm,(2).解析法求解：,增強型MOSFET: gm =1/ Ron,耗盡型MOSFET: gm =-(1- UGS / Up )2 IDSS/ Up,襯底跨導(dǎo)gmb,漏極電阻rdS ：可在輸出特性曲線上求解,導(dǎo)通電阻Ron：,極間電容: 包括CgS 、 Cgd、 Cgb 、 Csd 、 Csb 、 Cdb。,在恒流區(qū)：,下表列出了MOS管參數(shù),表3-2 常用場效應(yīng)三極管的參數(shù),三 場效應(yīng)管的微變等效電路,1.低頻等效電路：,FET低頻微變等效電路（ dUBS=0）,2.高頻等效電路：,FET高頻微變等效電路（ dUBS=0）,雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較,雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較(續(xù)),第四節(jié) 場效應(yīng)管的基本放大電路,一 場效應(yīng)管的偏置電路 二 外加偏置電路 三 三種基本放大電路 四 三種接法基本放大電路的比較,一 場效應(yīng)管的偏置電路,（一）自給偏置電路：,(1). UGS = 0時： IS = ID,RS兩端電壓為： US = IS RS,(2). 由于 IG=0; UG =0: UGS = -IS RS = -ID RS,由此構(gòu)成支流偏壓，所以稱為自給偏壓式。,1.基本型自給偏置電路：,基本型自給偏置電路,2.改進型自給偏置電路：,(1). 由R1 = R2分壓，給RG一個固定偏壓。 RG很大以減小對輸入電阻的影響。,(2).對于耗盡型FET： UGS = EDR2 /(R1 + R2) -ID RS,此時： RS大Q點不會低。,改進型自給偏置電路,ID= IDSS1(UGS /Up)2,（二）外加偏置電路：,外加偏置電路,對于增強型MOSFET: UGS = 0時： ID =0,(1). 此時靠外加偏壓： UGS = EDRL /(R1 + R2),(2). 改進型外加偏壓：,UGS = EDRL /(R1 + R2) -ID RS,對于JFET,須保證|US | |US|時，放大器具有正確的偏壓。,耗盡型以自給偏壓為主,二 三種基本放大電路,結(jié)型共源放大器電路,電壓增益為:,1.未接CS時:等效電路如圖:,一般 rds RD RL RS; rds可忽略.,（一） 共源組態(tài)基本放大器,放大器的輸入電阻為:,放大器的輸出電阻為:,ri=RG+(R1/ R2) RG,ro RD,2 . 接入CS時:,AU - gm RD,ri=RG+(R1/ R2) RG,ro =RD / rds RD,結(jié)型共漏放大器電路,電壓增益為:,其等效電路如圖:,（二） 共漏組態(tài)基本放大器,共漏放大器電路如圖:,ri= RG,輸入電阻為:,式中: Rs=rds/Rs / RL Rs / RL 1,求輸入電阻:,1.畫等效電路：令Ui=0、 RL開路；在輸出端加測試電壓Uot,2.求輸入電阻:,Ugs= - Uot ;,Iot= Uot (1/ Rs + gm),根據(jù)輸出電阻的定義：,ro = Uot / Iot = Rs / （1/ gm ）,（三） 共柵組態(tài)基本放大器,其等效電路如圖:,共柵放大器電路如圖:,3-24. 共柵放大器典型電路,電壓增益為:,式中:RD=RD / RL,3-22.共柵放大器等效電路(電流源),3-22.共柵放大器等效電路(電壓源),ri= Rs / ri,輸入電阻為:,3-22.共柵放大器等效電路(電壓源),ri,ri= Ui / Id1/ gm,當rds RD , gm rds 1時：,所以： ri Rs / （1/ gm）,輸出電阻為:,ro RD / rds RD,ro,表3-3 FET 三種組態(tài)性能比較,一 共源組態(tài)基本放大電路,場效應(yīng)管共源基本放大電路，可與共射組態(tài)的晶體管放大電路相對應(yīng)。 區(qū)別是場效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。,圖 03.28結(jié)型共源組態(tài)接法基本放大電路,(1)直流分析,共源基本放大電路的直流通道畫出,如圖03.29所示。,03.29 共源基本放大 電路的直流通道,則JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。,圖中R1、R2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負載電阻。,與共射基本放大電路的Rb1、 Rb2，Re和Rc分別一一對應(yīng)。,結(jié)型場效應(yīng)管柵源PN結(jié)是反偏工作，無柵流。,UG=UDDR2/(R1+R2) UGS= UGUS= UGIDR ID= IDSS1(UGS /Up)2 UDS= UDDID(Rd+R),03.29 共源基本放大 電路的直流通道,根據(jù)圖03.29可寫出下列方程：,于是可以解出UGS、ID和UDS。,二 共漏組態(tài)基本放大電路,圖 03.32 共漏組態(tài)放大電路 03.33 直流通道,其直流工作狀態(tài)和動態(tài)分析如下。,共漏組態(tài)基本放大電路的直流通道畫于圖3.33， 于是有： UG=UDDRg2/(Rg1+Rg2) UGS= UGUS= UGIDR ID= IDSS1(UGS /Up)2 UDS= UDDIDR,(1)直流分析,三 共柵組態(tài)基本放大電路,(1)直流分析 與共源組態(tài)放大電路相同。,圖 03.36共柵組態(tài)放大電路,圖 03.36共柵組態(tài)放大電路,共柵組態(tài)放大電路,回顧： 場效應(yīng)晶體管知識,場效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。,結(jié)型場效應(yīng)管JFET,絕緣柵型場效應(yīng)管MOS,場效應(yīng)管有兩種:,MOS絕緣柵場效應(yīng)管（N溝道）,（1） 結(jié)構(gòu),P型基底,兩個N區(qū),SiO2絕緣層,金屬鋁,N導(dǎo)電溝道,N溝道增強型,（2）符號,N溝道耗盡型,柵極,漏極,源極,N溝道MOS管的特性曲線,NMOS場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,UGS=3V,UGS=4V,UGS=5V,開啟電壓UGS（th）=1V,增強型NMOS場效應(yīng)管 輸出特性曲線,增強型NMOS場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,耗盡型NMOS場效應(yīng)管 輸出特性曲線,UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夾斷電壓UP=-2V,耗盡型NMOS場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,跨導(dǎo)gm,= ID / UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,夾斷區(qū),可變電阻區(qū),恒流區(qū),場效應(yīng)管的微變等效電路,輸入回路：開路 輸出回路：交流壓控恒流源，電流,5.2 場效應(yīng)管共源極放大電路,11.6.1 電路的組成原則及分析方法,(1).靜態(tài)：