模擬電子技術(shù)第三章場效應(yīng)三極管.ppt

第三章 場效應(yīng)三極管,結(jié)型場效應(yīng)管,絕緣柵場效應(yīng)管,場效應(yīng)管的主要參數(shù),下頁,總目錄,場效應(yīng)三極管中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。,分類：,結(jié)型場效應(yīng)管,絕緣柵場效應(yīng)管,增強(qiáng)型,耗盡型,N溝道,P溝道,N溝道,N溝道,P溝道,P溝道,下頁,上頁,首頁,一、結(jié)型場效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu),N型溝道,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號,柵極,漏極,源極,下頁,上頁,首頁,2. 工作原理,uGS = 0,uGS 0,uGS = UGS(off), 當(dāng)uDS = 0 時， uGS 對耗盡層和導(dǎo)電溝道的影響。,ID=0,ID=0,下頁,上頁,首頁,溝道較寬，iD 較大。,iS = iD,iD,iS,iD,iS,uGS=0，uGD UGS(off),uGS UGS(off), 當(dāng)uDS 0 時， uGS 對耗盡層和 iD 的影響。,溝道變窄， iD 較小。,下頁,上頁,首頁,uGS 0，uGD= UGS(off)，,uGS UGS(off) ，uGD UGS(off)，,iD 0， 導(dǎo)電溝道夾斷。,iD更小， 導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷。,下頁,上頁,首頁,3. 特性曲線, 轉(zhuǎn)移特性,iD = f（uGS）|uDS=常數(shù),溝道結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,IDSS,UGS(off),飽和漏極電流,柵源間加反向電壓 uGS 0 利用場效應(yīng)管輸入電阻高的優(yōu)點(diǎn)。,下頁,上頁,首頁, 漏極特性,iD=f（uDS）|uGS=常數(shù),預(yù)夾斷軌跡,恒流區(qū),擊穿區(qū),|UGS(off)|8V,IDSS,|uDS-uGS|= |UGS(off)|,可變電阻區(qū)： iD 與uDS 基本上呈線性關(guān)系， 但不同的uGS 其斜率不同。,恒流區(qū)：又稱飽和區(qū)， iD 幾乎與uDS 無關(guān)， iD 的值受uGS 控制。,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的漏極特性,擊穿區(qū)： 反向偏置的PN結(jié)被擊穿， iD 電流突然增大。,夾斷電壓,下頁,上頁,首頁,二、絕緣柵場效應(yīng)管,1. N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管, 結(jié)構(gòu),P型襯底,B,鋁,P襯底雜質(zhì)濃度較低， 引出電極用B表示。,N+兩個區(qū)雜質(zhì)濃度很高， 分別引出源極和漏極。,柵極與其他電極是絕緣的， 通常襯底與源極在管子內(nèi)部連接。,下頁,上頁,首頁,開啟電壓，用uGS(th)表示, 工作原理,當(dāng)uGS 增大到一定值時， 形成一個N型導(dǎo)電溝道。,N型溝道,導(dǎo)電溝道的形成,假設(shè)uDS = 0 ，同時uGS 0,靠近二氧化硅的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層， 若增大uGS ，則耗盡層變寬。,又稱之為反型層,導(dǎo)電溝道隨uGS 增大而增寬。,下頁,上頁,首頁,uDS對導(dǎo)電溝道的影響,uGS為某一個大于UGS(th)的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，且uDS UGS(th) 則有電流iD 產(chǎn)生，,iD,使導(dǎo)電溝道發(fā)生變化。 當(dāng)uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th) 即uGD = uGS - uDS = UGS(th) 時， 溝道被預(yù)夾斷， iD 飽和。,下頁,上頁,首頁, 特性曲線,IDO,UGS(th),2UGS(th),預(yù)夾斷軌跡,恒流區(qū),當(dāng)uGS UGS(th)時,下頁,上頁,轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用以下公式表示：,首頁,2. N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管,預(yù)先在二氧化硅中摻入大量的正離子， 使uGS = 0 時， 產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。 當(dāng)uGS 0 時，溝道變寬， iD 增大。,下頁,上頁,首頁,動畫,耗盡型： uGS = 0 時無導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型： uGS = 0 時有導(dǎo)電溝道。,特性曲線,IDSS,UGS(off),預(yù)夾斷軌跡,恒流區(qū),IDSS,下頁,上頁,首頁,三、 場效應(yīng)管的主要參數(shù),1. 直流參數(shù), 飽和漏極電流 IDSS 是耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。 它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓uGS等于零， 而漏源之間的電壓uDS大于夾斷電壓時對應(yīng)的漏極電流。, 夾斷電壓 UGS(off) 是耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。 其定義是當(dāng)uDS一定時， 使iD減小到某一個微小電流時所需的uGS值。,下頁,上頁,首頁, 開啟電壓 UGS(th) UGS(th)是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。 其定義是當(dāng)uDS一定時， 使漏極電流達(dá)到某一數(shù)值時所需加的uGS值。, 直流輸入電阻 RGS 柵源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。 結(jié)型場效應(yīng)管的RGS一般在107以上， 絕緣柵場效應(yīng)管的RGS更高，一般大于109。,下頁,上頁,首頁,2. 交流參數(shù) 低頻跨導(dǎo)gm 用以描述柵源之間的電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。, 極間電容 場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容， 包括CGS 、 CGD和CDS 。 極間電容愈小，管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。,下頁,上頁,首頁,3. 極限參數(shù) 漏極最大允許耗散功率PDM 漏極耗散功率等于漏極電流與漏源之間電壓的乘積， 即pD= iD uDS。 漏源擊穿電壓U（BR)DS 在場效應(yīng)管的漏極特性曲線上，當(dāng)漏極電流iD急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的uDS 。 柵源擊穿電壓U（BR）GS,下頁,上頁,首頁,3.2 場效應(yīng)管及其放大電路,場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。,結(jié)型場效應(yīng)管,按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:,絕緣柵型場效應(yīng)管,本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應(yīng)管,按工作狀態(tài)可分為：增強(qiáng)型和耗盡型兩類 每類又有N溝道和P溝道之分,3.2.1 絕緣柵場效應(yīng)管,漏極D,柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。,(1) N溝道增強(qiáng)型管的結(jié)構(gòu),柵極G,源極S,1. 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管,符號：,由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)1014 。,由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。,(2) N溝道增強(qiáng)型管的工作原理,由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。,當(dāng)柵源電壓UGS = 0 時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。,當(dāng)UGS 0 時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；,N型導(dǎo)電溝道,在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。,當(dāng)UGS UGS（th）時，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。,(2) N溝道增強(qiáng)型管的工作原理,N型導(dǎo)電溝道,當(dāng)UGS UGS(th）后，場效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通，若漏源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。,在一定的漏源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。,(2) N溝道增強(qiáng)型管的工作原理,(3) 特性曲線,有導(dǎo)電溝道,轉(zhuǎn)移特性曲線,無導(dǎo)電 溝道,開啟電壓UGS(th）,UDS,UGS/,漏極特性曲線,恒流區(qū),可變電阻區(qū),截止區(qū),符號：,結(jié)構(gòu),(4) P溝道增強(qiáng)型,SiO2絕緣層,加電壓才形成 P型導(dǎo)電溝道,增強(qiáng)型場效應(yīng)管只有當(dāng)UGS UGS(th）時才形成導(dǎo)電溝道。,2. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,符號：,如果MOS管在制造時導(dǎo)電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應(yīng)管。,(1 ) N溝道耗盡型管,SiO2絕緣層中 摻有正離子,予埋了N型 導(dǎo)電溝道,2. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS= 0時，若漏源之間加上一定的電壓UDS，也會有漏極電流 ID 產(chǎn)生。,當(dāng)UGS 0時，使導(dǎo)電溝道變寬， ID 增大； 當(dāng)UGS 0時，使導(dǎo)電溝道變窄， ID 減??； UGS負(fù)值愈高，溝道愈窄， ID就愈小。,當(dāng)UGS達(dá)到一定負(fù)值時，N型導(dǎo)電溝道消失， ID= 0，稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。,這時的漏極電流用 IDSS表示，稱為飽和漏極電流。,(2) 耗盡型N溝道MOS管的特性曲線,夾斷電壓,耗盡型的MOS管UGS= 0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。,UGS(off),IDSS,2. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,(3) P 溝道耗盡型管,予埋了P型 導(dǎo)電溝道,SiO2絕緣層中 摻有負(fù)離子,耗盡型,G、S之間加一定 電壓才形成導(dǎo)電溝道,在制造時就具有 原始導(dǎo)電溝道,3. 場效應(yīng)管的主要參數(shù),(1) 開啟電壓 UGS(th)：是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù) (2) 夾斷電壓 UGS(off)： (3) 飽和漏電流 IDSS：,(4) 低頻跨導(dǎo) gm：表示柵源電壓對漏極電流 的控制能力,極限參數(shù)：最大漏極電流、耗散功率、擊穿電壓。,場效應(yīng)管與晶體管的比較,類 型 NPN和PNP N溝道和P溝道,放大參數(shù),3.2.2 場效應(yīng)管放大電路,場效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。,場效應(yīng)管的源極、漏極、柵極相當(dāng)于雙極型晶體管的發(fā)射極、集電極、基極。,場效應(yīng)管的共源極放大電路和源極輸出器與雙極型晶體管的共發(fā)射極放大電路和射極輸出器在結(jié)構(gòu)上也相類似。,場效應(yīng)管放大電路的分析與雙極型晶體管放大電路一樣，包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析。,1.自給偏壓式偏置電路,3.2.2 場效應(yīng)管放大電路,柵源電壓UGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱自給偏壓。,UGS = RSIS = RSID,T為N溝道耗盡型場效應(yīng)管,增強(qiáng)型MOS管因UGS=0時， ID 0，故不能采用自給偏壓式電路。,靜態(tài)分析可以用估算法或圖解法( 略 ),估算法：,UGS = RSID,將已知的UGS(off)、IDSS代入上兩式，解出UGS、ID;,由 UDS= UDD ID(RD+ RS) 解出UDS,列出靜態(tài)時的關(guān)系式,對增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的放大電路需用圖解法來確定靜態(tài)值。,例：已知UDD =20V、RD=3k、 RS=1k、 RG=500k、UGS(off)= 4V、IDSS=8mA， 確定靜態(tài)工作點(diǎn)。,解：用估算法,UGS = 1 ID,UDS= 20 2（ 3 + 1 ）= 12 V,列出關(guān)系式,解出 UGS1 = 2V、UGS2 = 8V、ID1=2mA、ID2=8mA,因UGS2 UGS(off) 故舍去 ， 所求靜態(tài)解為UGS = 2V ID=2mA、,2. 分壓式偏置電路,(1) 靜態(tài)分析,估算法：,將已知的UGS(off)、ID