場效應(yīng)管放大器.ppt

5 1場效應(yīng)管 1 特點 1 導(dǎo)電能力由電壓控制的半導(dǎo)體器件 2 僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電 又稱單極型晶體管 3 體積小 耗電少 壽命長等優(yōu)點 4 輸入電阻高 熱穩(wěn)定性好 抗輻射能力強 噪聲低 制造工藝簡單 便于集成等特點 5 廣泛用于大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路 N溝道 P溝道 增強型 耗盡型 N溝道 P溝道 N溝道 P溝道 耗盡型 2 場效應(yīng)管分類 N 基底 N型半導(dǎo)體 兩邊是P區(qū) G柵極 S源極 D漏極 結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電溝道 PN結(jié) 5 1 1結(jié)型場效應(yīng)管 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 符號 二 工作原理 以N溝道為例 當(dāng)UDS 0V時 若加入UGS 0 PN結(jié)反偏 耗盡層變厚 若UGS 0 溝道較寬 溝道電阻小 溝道變窄 溝道電阻增大 若UGS VP 夾斷電壓 時 溝道夾斷 溝道電阻很大 UGS 越大 則耗盡區(qū)越寬 導(dǎo)電溝道越窄 但當(dāng) UGS 較小時 耗盡區(qū)寬度有限 存在導(dǎo)電溝道 DS間相當(dāng)于線性電阻 溝道夾斷時 夾斷電壓VP 耗盡區(qū)碰到一起 DS間被夾斷 這時 即使UDS 0V 漏極電流ID 0A 加入UGS使溝道變窄 該類型效應(yīng)管稱為耗盡型 漏源電壓VDS對iD的影響 當(dāng)VDS繼續(xù)增加時 預(yù)夾斷區(qū)向源極方向伸長 在柵源間加電壓VGS 漏源間加電壓VDS 由于漏源間有一電位梯度VDS 上端 漏端 VGD VGS VDS即 VGD VGS VDS 下端 源端 VGD VGS 使溝道呈楔形 耗盡層上下量端受的反偏電壓不同 溝道夾斷前 iD與vDS近似呈線性關(guān)系 當(dāng)VDS增加到使VGD VGS VDS VP時 在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點 隨VDS增大 這種不均勻性越明顯 電阻增大 使VDS增加不能使漏極也增大 漏極電流iD趨于飽和 4 1 2伏安特性曲線及參數(shù) 特點 1 當(dāng)vGS為定值時 管子的漏源間呈線性電阻 且其阻值受vGS控制 iD是vDS的線性函數(shù) 2 管壓降vDS很小 用途 做壓控線性電阻和無觸點的 閉合狀態(tài)的電子開關(guān) 條件 源端與漏端溝道都不夾斷 1 可變電阻區(qū) 1 輸出特性曲線 動畫2 6 用途 可做放大器和恒流源 2 恒流區(qū) 又稱飽和區(qū)或放大區(qū) 2 恒流性 輸出電流iD基本上不受輸出電壓vDS的影響 特點 1 受控性 輸入電壓vGS控制輸出電流 3 夾斷區(qū) 用途 做無觸點的 接通狀態(tài)的電子開關(guān) 條件 整個溝道都夾斷 4 擊穿區(qū) 當(dāng)漏源電壓增大到時 漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿 使iD劇增的區(qū)域 其值一般為 20 50 V之間 由于VGD VGS VDS 故vGS越負 對應(yīng)的VP就越小 管子不能在擊穿區(qū)工作 特點 2 轉(zhuǎn)移特性曲線 輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制 結(jié)型場效應(yīng)管的特性小結(jié) 5 1金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)管 絕緣柵型場效應(yīng)管 MetalOxideSemiconductor MOSFET N溝道P溝道增強型 N溝道P溝道耗盡型 增強型 N溝道 P溝道 VGS 0時無導(dǎo)電溝道 iD 0 耗盡型 N溝道 P溝道 VGS 0時已有導(dǎo)電溝道 類型及其符號 5 1 1N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管NMOS 漏極D 1 結(jié)構(gòu) 柵極G 源極S 金屬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 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1014 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溝道增強型MOS場效應(yīng)管的工作原理 1 柵源電壓VGS的控制作用 當(dāng)VGS 0V時 因為漏源之間被兩個背靠背的PN結(jié)隔離 因此 即使在D S之間加上電壓 在D S間也不可能形成電流 當(dāng)0 VGS VT 開啟電壓 時 通過柵極和襯底間的電容作用 將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥 同時 使兩個N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層 并與空穴復(fù)合而消失 結(jié)果在襯底表面形成一薄層負離子的耗盡層 漏源間仍無載流子的通道 管子仍不能導(dǎo)通 處于截止狀態(tài) N溝道增強型場效應(yīng)管的工作原理 的N型溝道 把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT 這時 若在漏源間加電壓VDS 就能產(chǎn)生漏極電流ID 即管子開啟 VGS值越大 溝道內(nèi)自由電子越多 溝道電阻越小 在同樣VDS電壓作用下 ID越大 這樣 就實現(xiàn)了輸入電壓VGS對輸出電流ID的控制 當(dāng)VGS VT時 襯底中的電子進一步被吸至柵極下方的P型襯底表層 使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量 該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體 稱為反型層 形成N源區(qū)到N漏區(qū) ID 2 漏源電壓VDS對溝道導(dǎo)電能力的影響 A 當(dāng)VGS VT且固定為某值的情況下 加正電壓VDS 則形成漏極電流ID 當(dāng)ID從D S流過溝道時 沿途會產(chǎn)生壓降 進而導(dǎo)致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻 S端電壓最大 為VGS 感生的溝道最寬 D端電壓最小 為VGD VGS VDS 感生的溝道窄 溝道呈錐形分布 當(dāng)VGD VT 即VGS VDS VT時 則漏端溝道消失 出現(xiàn)預(yù)夾斷點 當(dāng)VDS為0或較小時 VGD VT 此時VDS基本均勻降落在溝道中 溝道呈斜線分布 當(dāng)VDS增加到使VGD VT時 預(yù)夾斷 當(dāng)VDS增加到使VGD VT時 預(yù)夾斷點向源極端延伸成小的夾斷區(qū) 電阻增大 VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi) ID基本不隨VDS增加而變化 MOSFET的特性曲線 1 漏極輸出特性曲線 V I特性表達式不做要求 2 轉(zhuǎn)移特性曲線 VGS對ID的控制特性 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 其量綱為mA V 稱gm為跨導(dǎo) ID f VGS VDS 常數(shù) gm ID VGS Q mS 增強型MOS管特性小結(jié) 耗盡型MOSFET N溝道耗盡型MOS管 它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子 在管子制造過程中 這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層 形成了導(dǎo)電溝道 因此 使用時無須加開啟電壓 VGS 0 只要加漏源電壓 就會有漏極電流 當(dāng)VGS 0時 將使ID進一步增加 VGS 0時 隨著VGS的減小ID逐漸減小 直至ID 0 對應(yīng)ID 0的VGS值為夾斷電壓VP 耗盡型MOSFET的特性曲線 絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型 P溝道耗盡型 場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號 一 場效應(yīng)三極管的參數(shù)1 開啟電壓VT開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù) 柵源電壓小于開啟電壓的絕對值 場效應(yīng)管不能導(dǎo)通 2 夾斷電壓VP夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù) 當(dāng)VGS VP時 漏極電流為零 3 飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)三極管 當(dāng)VGS 0時所對應(yīng)的漏極電流 4 輸入電阻RGS 結(jié)型場效應(yīng)三極管 反偏時RGS約大于107 絕緣柵型場效應(yīng)三極管 RGS約是109 1015 5 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mS 毫西門子 6 最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM VDSID決定 與雙極型三極管的PCM相當(dāng) 場效應(yīng)管與晶體管的比較 類型NPN和PNPN溝道和P溝道 放大參數(shù) 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 4 4場效應(yīng)管放大電路 4 4 1直流偏置電路及靜態(tài)分析 1 自偏壓電路 僅適用于耗盡型場效應(yīng)管 VGS 0時 溝道已存在 加VDD后 VS IDR 2 分壓式偏壓電路 直流通道 由 VG VDDRg2 Rg1 Rg2 及VS IDR 2 靜態(tài)工作點的確