MOS管工作原理講解

1、15 5 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路25.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)管場效應(yīng)管5.2 MOSFET放大電路放大電路5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)管3q 掌握場效應(yīng)管的直流偏置電路及分析；掌握場效應(yīng)管的直流偏置電路及分析；q 場效應(yīng)管放大器的微變等效電路分析場效應(yīng)管放大器的微變等效電路分析法。法。4N溝道溝道P溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場效應(yīng)管場效應(yīng)管JFET結(jié)型

2、結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)場效應(yīng)管分類：場效應(yīng)管分類：55.1 金屬氧化物半導(dǎo)體金屬氧化物半導(dǎo)體 （MOSMOS）場效應(yīng)管）場效應(yīng)管MOSFETMOSFET簡稱簡稱MOSMOS管，它有管，它有N N溝道和溝道和P P溝道之分，溝道之分，其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。耗盡型：當(dāng)耗盡型：當(dāng)vGS0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD 0。增強(qiáng)型：當(dāng)增強(qiáng)型：當(dāng)vGS0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，iD0。65.1.1 N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETMOSFET1 1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底型基底兩個(gè)兩個(gè)N區(qū)區(qū)Si

3、O2絕緣層絕緣層導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道金屬鋁金屬鋁GSDN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型7N 溝道耗盡型溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)予埋了導(dǎo)電溝道電溝道 GSD8NPPGSDGSDP 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型9P 溝道耗盡型溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導(dǎo)予埋了導(dǎo)電溝道電溝道 102 2工作原理工作原理JFET是利用是利用PN結(jié)反向電壓對耗盡層厚度的結(jié)反向電壓對耗盡層厚度的控制，來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏控制，來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電流的大小。而極電流的大小。而MOSFET則是利用柵源電則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

4、極電流的大小。少，從而控制漏極電流的大小。112 2工作原理工作原理（以（以N 溝道增強(qiáng)型為例）溝道增強(qiáng)型為例）PNNGSDVDSVGSVGS=0時(shí)時(shí)D-S 間相當(dāng)于間相當(dāng)于兩個(gè)反接的兩個(gè)反接的PN結(jié)結(jié)ID=0對應(yīng)截止區(qū)對應(yīng)截止區(qū)12PNNGSDVDSVGSVGS0時(shí)時(shí)VGS足夠大時(shí)足夠大時(shí)（VGSVT）感）感應(yīng)出足夠多電子，應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的導(dǎo)電為主的N型型導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子感應(yīng)出電子VT稱為開啟電壓稱為開啟電壓13VGS較小時(shí)，導(dǎo)較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電電溝道相當(dāng)于電阻將阻將D-S連接起連接起來，來，VGS越大此越大此電阻越小。電阻越小。PN

5、NGSDVDSVGS14PNNGSDVDSVGS當(dāng)當(dāng)VDS不太大不太大時(shí)，導(dǎo)電溝時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)道在兩個(gè)N區(qū)區(qū)間是均勻的。間是均勻的。當(dāng)當(dāng)VDS較大較大時(shí)，靠近時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。道變窄。15PNNGSDVDSVGS夾斷后，即夾斷后，即使使VDS 繼續(xù)繼續(xù)增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性。IDVDS增加，增加，VGD=VT 時(shí)，時(shí)，靠近靠近D端的溝道被夾斷，端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。稱為予夾斷。163 3特性曲線（特性曲線（增強(qiáng)型增強(qiáng)型N溝道溝道MOS管管）17輸出特性曲線輸出特性曲線3 3特性曲線（特性曲線（增強(qiáng)型增強(qiáng)型N溝道溝道MOS管管）可變電可變電阻區(qū)阻區(qū)

6、擊穿區(qū)擊穿區(qū)IDU DS0UGS=5V4V-3V3V-5V線性放線性放大區(qū)大區(qū)18轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線3 3特性曲線（特性曲線（增強(qiáng)型增強(qiáng)型N溝道溝道MOS管管）0IDUGSVT在恒流區(qū)（線性在恒流區(qū)（線性放大區(qū)，即放大區(qū)，即VGSVT時(shí)有：時(shí)有：201 PGSDDVvIiID0是是vGS=2VT時(shí)的時(shí)的iD值。值。194 4參數(shù)參數(shù)P P210210表表5.1.15.1.1列出了列出了MOSFETMOSFET的主要參數(shù)。的主要參數(shù)。205.1.2 N N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETMOSFET耗盡型的耗盡型的MOS管管UGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷

7、。電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0IDUGSVT21輸出特性曲線輸出特性曲線IDU DS0UGS=0UGS0225.2 MOSFET放大電路放大電路 直流偏置電路直流偏置電路 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn) FET小信號模型小信號模型 動態(tài)指標(biāo)分析動態(tài)指標(biāo)分析 三種基本放大電路的性能比較三種基本放大電路的性能比較5.2.1 FET的直流偏置及靜態(tài)分析的直流偏置及靜態(tài)分析5.2.2 FET放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法 231. 直流偏置電路直流偏置電路5.2.1 FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析的直流偏置電路及靜態(tài)分析（1）自）自偏壓電路偏壓電路（2）分壓式自）分壓式自偏壓電

8、路偏壓電路vGSvGSvGSvGSvGSVGS = - IDRSV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 242. 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)：點(diǎn)： VGS 、 ID 、 VDSvGS =2PGSDSSD)1(VvIi VDS =已知已知VP ，由，由VDD- ID (Rd + R )- iDR可解出可解出Q點(diǎn)的點(diǎn)的VGS 、 ID 、 VDS 255.2.2 FET放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法1. FET小信號模型小信號模型 （1）低頻模型）低頻模型26（2）高頻模型）高頻模型1. FET小信號模型小信號模型 272. 動態(tài)指標(biāo)分析動態(tài)指標(biāo)分析 （1 1）共源電路

9、及其小信號模型）共源電路及其小信號模型282. 動態(tài)指標(biāo)分析動態(tài)指標(biāo)分析 中頻小信號模型：中頻小信號模型：292. 動態(tài)指標(biāo)分析動態(tài)指標(biāo)分析 （2）中頻電壓增益）中頻電壓增益（3）輸入電阻）輸入電阻（4）輸出電阻）輸出電阻忽略忽略 rD iVgsVRVggsm )1(mgsRgV oVdgsmRVg mVARgRgmdm1 /iiRR 由輸入輸出回路得由輸入輸出回路得則則giiIVR )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常則則)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV 30 例例

10、5.2.2 共漏極放大電路如圖共漏極放大電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。和輸出電阻。（2）中頻電壓增益）中頻電壓增益（3）輸入電阻）輸入電阻 iVgsV)/(LgsmRRVg )/(1LmgsRRgV oV)/(LgsmRRVg mVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得得)/(g2g1g3iRRRR 解：解： （1 1）中頻小信號模型）中頻小信號模型由由ioVV1 例題例題31（4 4）輸出電阻）輸出電阻 TIRIgsmVg RVT gsVTV oRm11gR 所以所以由圖有由圖有TTIVgsmVg m1/gR 例題例題323. 三種基本放大

11、電路的性能比較三種基本放大電路的性能比較組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益：電壓增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：33beb/rR輸出電阻：輸出電阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcR3. 三種基本放大電路的性能比較三種基本放大電路的性能比較BJTFET輸入電阻：輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g

12、1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR345.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 工作原理工作原理 輸出特性輸出特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 主要參數(shù)主要參數(shù) 5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) 35 源極源極，用用S或或s表示表示N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道漏極漏極，用用D或或d表示表示 P型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)柵極柵極，用用G或或g表示表示柵極柵極，用用G或或g表示表示符號符號符號符號5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 362. 工作

13、原理工作原理 VGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)時(shí)（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） 當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對應(yīng)當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對應(yīng)的柵源電壓的柵源電壓VGS稱為稱為夾斷夾斷電壓電壓VP （ 或或VGS(off) ）。）。對于對于N溝道的溝道的JFET，VP 0。PN結(jié)反偏結(jié)反偏耗盡層加厚耗盡層加厚溝道變窄。溝道變窄。 VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄繼續(xù)變窄372. 工作原理工作原理 VDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，時(shí)，VDS ID G、D間間PN結(jié)的反向電結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，耗盡層加寬，溝

14、道變窄，從上至下呈楔形分布。從上至下呈楔形分布。 當(dāng)當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。夾斷。此時(shí)此時(shí)VDS 夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻 ID基本不變基本不變382. 工作原理工作原理 VGS和和VDS同時(shí)作用時(shí)同時(shí)作用時(shí)當(dāng)當(dāng)VP VGS|V|VP P| |時(shí)的漏極電流。時(shí)的漏極電流。I IDSSDSS是是JFETJFET所所能輸出的最大電流。能輸出的最大電流。反映了反映了vDS對對iD的影響。的影響?；?dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力互導(dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力。433. 主要參數(shù)主要參數(shù) 直流輸入電阻直流輸入電阻R

15、GS：在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源直流電阻就是直流輸入電阻直流電阻就是直流輸入電阻R RGSGS。 最大漏極功耗最大漏極功耗PDM 最大漏源電壓最大漏源電壓V(BR)DS 最大柵源電壓最大柵源電壓V(BR)GS發(fā)生雪崩擊穿、發(fā)生雪崩擊穿、i iD D開始急劇上升時(shí)的開始急劇上升時(shí)的v vDSDS值。值。指輸入指輸入PNPN結(jié)反向電流開始急劇增加時(shí)的結(jié)反向電流開始急劇增加時(shí)的v vGSGS值。值。JFETJFET的耗散功率等于的耗散功率等于v vDSDS與與i iD D的乘積。的乘積。P PDMDM受管子最高工作溫受管子最高工作溫度的限制。度的限制。44 結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1. 柵源極間的電阻雖然可達(dá)柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在以上，但在某些場合仍嫌不夠高。某些場合仍嫌不夠高。3. 柵源極間的柵源極