場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路11.ppt

1、 1.4 場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor）,場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管三極管（晶體管） 的區(qū)別,1. 晶體管是電流控制元件；場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件。 2. 晶體管參與導(dǎo)電的是電子空穴，因此稱其為雙極型器件； 場(chǎng)效應(yīng)管參與導(dǎo)電的只有一種載流子， 因此稱其為單極型器件。 3. 晶體管的輸入電阻較低，一般102104； 場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻高，可達(dá)1071012 4. 噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、易集成。,N溝道,P溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,（耗盡型）,場(chǎng)效應(yīng)管分類：,Junction type,Insulated gate type,Depletio

2、n type,enhancement,1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu),G,S,D,導(dǎo)電溝道,源極，用S或s表示source,N型導(dǎo)電溝道,漏極，用D或d表示drain,1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,柵極，用G或g表示gate,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)符號(hào), VGS對(duì)溝道的控制作用（VDS=0）等寬,當(dāng)VGS0時(shí)PN結(jié)反偏,當(dāng)溝道夾斷時(shí),ID減小至0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。,對(duì)于N溝道的JFET， VGS(off) 0。,耗盡層加厚,溝道變窄,VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄， ID繼續(xù)變小。,當(dāng)VGS=0時(shí)，溝道最寬，溝道電阻最小。,溝道電阻變大,ID變小,根據(jù)其結(jié)構(gòu)

3、，它只能工作在反偏條件下，N溝道管加負(fù)柵源電壓， P溝道管加正柵源電壓。,2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)的工作原理,當(dāng)VGS=C時(shí)，VDS ID ,G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。,當(dāng)VDS增加到使VGD= VGS(off)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,此時(shí)VDS ,夾斷區(qū)延長(zhǎng),溝道電阻 ,ID基本不變, VDS對(duì)溝道的控制作用,溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型管。,JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制,預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。,JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置

4、的，因此iG0，輸入電阻很高。,JFET是利用PN結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度的控制，來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電流的大小。,綜上分析可知,(2)轉(zhuǎn)移特性 transfer characteristics,VP,(1)輸出特性output characteristics,3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)的特性曲線及參數(shù),夾斷區(qū),variable resistance region,pinch off region,constant current region,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,P49 圖1.4.13_注意方向區(qū)別,1. 柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以

5、上，但在某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。,3. 柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。,2. 在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)：,MOS場(chǎng)效應(yīng)管,1.4.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),漏極D,源極S,絕緣柵極G,襯底B,電極金屬M(fèi)etal 絕緣層氧化物Oxide 基體半導(dǎo)體Semiconductor 因此稱之為MOS管,增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管,當(dāng)VGS= UGS(th)時(shí), 在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在VDS的作用下形成ID。,當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)

6、背靠背的PN結(jié)，無論VDS之間加什么電壓都不會(huì)在D、S間形成電流ID，即ID0.,當(dāng)VGS UGS(th)時(shí), 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進(jìn)一步增加。,開始時(shí)無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSUth時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管,MOSFET是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。,二、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理,漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用,當(dāng)VGS UGS(th) ，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS的不同變化對(duì)導(dǎo)電溝道和漏極電流ID的影響。,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS

7、,當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng) VGD UGS(th)，此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在VDS作用下形成ID,當(dāng)VDS增加到使VGD=UGS(th)時(shí)，,當(dāng)VDS增加到VGD UGS(th)時(shí)，,這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。此時(shí)的漏極電流ID 基本飽和。,此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。,iD=f(vGS)vDS=C,轉(zhuǎn)移特性曲線,iD=f(vDS)vGS=C,輸出特性曲線,當(dāng)vGS變化時(shí)，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū),恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時(shí)，iD基本不隨v

8、DS變化而變化。,vGS/V,三、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線,一、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),+ + + + + + +, ,耗盡型MOS管存在 原始導(dǎo)電溝道,耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管,當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流iD。 當(dāng)VGS0時(shí),將使iD進(jìn)一步增加。 當(dāng)VGS0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對(duì)應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示。,N溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在VGS0,二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理,輸出特性曲線,VGS(V),iD(mA),轉(zhuǎn)移特性曲線,三、N

9、溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,N 溝 道 增 強(qiáng) 型,P 溝 道 增 強(qiáng) 型,各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,2. 夾斷電壓UGS(off) ：是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=UGS(off)時(shí),漏極電流為零。,3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,1. 開啟電壓UGS(th)：MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。,4. 直流輸入電阻RGS:柵源間所加的恒定電壓VGS與流過柵極電流IGS之比。結(jié)型:大于107，絕緣柵:1091015。

10、,5. 漏源擊穿電壓V(BR)DS: 使ID開始劇增時(shí)的VDS。,6.柵源擊穿電壓V(BR) GS JFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓 MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓,1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（P50）,7. 低頻跨導(dǎo)gm ：低頻跨導(dǎo)反映了柵源壓對(duì)漏極電流的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。,8. 輸出電阻rds,9. 極間電容高頻電路,Cgs柵極與源極間電容，約13pF； Cds 漏極與源極間電容，約0.11pF; Cgd 柵極與漏極間電容。,各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比,各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比,圖 場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性P49,1.4.4 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體

11、管三極管的比較,場(chǎng)效應(yīng)管 晶體三極管 單極性：多子 雙極型：多子和少子 壓控型 流控型 Ri很大 Ri較小 跨導(dǎo)較小 大 JFET的d,s可互換 c,e互換很小 溫度穩(wěn)定性好 溫度穩(wěn)定性差 可作壓控電阻,1.6 集成電路中的元件P60 集成電路（IC）：制造工藝、許多元件、同一塊 半導(dǎo)體基片上，封裝。具有完整功能,特點(diǎn)：（1）元件密度高（集成度高） （2）體積小 （3）功能強(qiáng) （4）功耗低 （5）外部連線及焊點(diǎn)少 （6）集成電路中的元件具有良好的對(duì)稱性 （7）集成電路中的電阻和電容數(shù)值有限 （8）復(fù)合管 可靠性、靈活性， 實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的緊密結(jié)合,復(fù)合管：（1）各管的電流方向不矛盾、工

12、作在放大區(qū) P123 （2）=12 （3）等效管子的類型與第一只管子的類型相同,P144 2.18,不能,不能,NPN,不能,不能,PNP,NPN,2.7.1 場(chǎng)效應(yīng)管的三種接法 共源放大電路* 共漏放大電路* 共柵放大電路,2.7 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,2.7.2 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)設(shè)置,場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路 與晶體管放大器相似，靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置對(duì)放大器的性能至關(guān)重要。在場(chǎng)效應(yīng)管放大器中，由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管uGS=0時(shí)，iD0，故可采用自偏壓方式。而對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，則一定要采用分壓式偏置或混合偏置方式。 我們可以用兩種辦法確定直流工作點(diǎn)，一種是圖解法，另一種是解析法。,圖 場(chǎng)效應(yīng)管偏置方式 (a)自偏壓方式； (b)分壓式偏置方式,解析法,已知電流方程及各自電路的柵源電壓方程，聯(lián)立求解即可求得工作點(diǎn)。例如：,(a),(b),將式(b)代入式(a)，解一個(gè)iD的二次方程，有兩個(gè)根，舍去不合理的一個(gè)根，留下合理的一個(gè)根便是IDQ。,場(chǎng)效應(yīng)管的共源極放大電路,場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路,跨導(dǎo),漏極輸出電阻,2.7.3 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析,場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路,動(dòng)態(tài)分析,Ro=RD=10k,2.7.4 共漏放大電路源極輸出器,uo,+UDD,RS,ui,C1,R1,RG,R2,R