場效應(yīng)管及其基本放路課件

1、第3章 場效應(yīng)管及其基本放大電路3.1結(jié)形場效應(yīng)管3.2砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管3.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管3.4場效應(yīng)管放大電路3.5各種放大器件電路性能比較 3.1 場效應(yīng)晶體管(FET）分類和結(jié)構(gòu)：結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET絕緣柵型場效應(yīng)晶體管IGFETNPPN結(jié)耗盡層PN溝道G門極D漏極S源極P襯底NN源極 門極 漏極S G D JFET結(jié)構(gòu)IGFET結(jié)構(gòu)N溝道3.1結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET1) P 溝道和N溝道結(jié)構(gòu)及電路符號N溝道G門極D漏極S源極gdsN溝道結(jié)構(gòu)及電路符號P溝道G門極D漏極S源極gdsP溝道結(jié)構(gòu)及電路符號2)工作等效（以P溝道為例）UgsIsId1）PN結(jié)不加

2、反向電壓（Ugs)或加的電壓不足以使溝道閉合時(shí)。溝道導(dǎo)通，電阻很小，并且阻值隨溝道的截面積減少而增大。稱可變電阻區(qū) ；ID=UDs / RDsRDSPNNGIDIS=IDPN結(jié)PN結(jié)+-UGS增大耗盡層加厚。UGS=0：ID=IDSS電路圖 等效圖2）恒流工作（電壓控制電流源）GID+RDVDDDSPN結(jié)加反向電壓（Ugs) 使溝道微閉合時(shí)電流ID與UDS無關(guān)，稱恒流區(qū)。ID=IDSS（1 - ）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN結(jié)PN結(jié)+-耗盡層閉合時(shí)UGS=VPRDVDDUGS電路圖 等效圖3）截止工作PNNGID=0IS=IDPN結(jié)PN結(jié)+-RDVDDUGS耗盡層完全閉合，溝道夾斷，

3、電子過不去柵極電壓UGS大于等夾斷電壓UP時(shí)，ID=0相當(dāng)一個(gè)很大的電阻3)、JFET的主要參數(shù)1）夾斷電壓VP:手冊給出是ID為一微小值時(shí)的VGS2）飽和漏極電流IDSS; VGS=0，時(shí)的IDudsidvgs=常數(shù)vgsidUds=常數(shù)uGS id5)極限參數(shù)：V（BR）DS、漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。V（BR）GS、柵源間的最高反向擊穿。 PDM 最大漏極允許功耗 ，與三極管類似。3)、 電壓控制電流系數(shù)gm=4）交流輸出電阻 rds=4）特性曲線：與三極管相同，場效應(yīng)管也有輸入和輸出的特性曲線。稱為轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。以N型JFET為例：0ugs(v)-4 -3 -2 -1idm

4、A54321VPIDSSN型JFET的轉(zhuǎn)移曲線UDS可變電阻區(qū)截止區(qū)IB0UDS=UGS-VPN型JFET的輸出特性曲線-4V-2.0V-1VUGS=0Vma（V） ID放大區(qū)0擊穿區(qū)Sect3.3 MOSFET增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFET N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)3.3.1增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管漏極D集電極C源極S發(fā)射極E柵極G基極B襯底B電極金屬絕緣層氧化物基體半導(dǎo)體因此稱之為MOS管Sect當(dāng)UGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。 當(dāng)UGS=UT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UDS的作用下形成ID。UDSID+-+-+-U

5、GS反型層 當(dāng)UGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論UDS之間加上電壓不會在D、S間形成電流ID,即ID0. 當(dāng)UGSUT時(shí), 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同UDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在UGSUT時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管Sect N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強(qiáng)型MOS管UDS一定時(shí)，UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系曲線ID=f(UGS)UDS=C 轉(zhuǎn)移特性曲線UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為IDK(UGS-UT)2溝道較短時(shí)，應(yīng)考慮UDS對溝道長度的調(diào)節(jié)作用：IDK(UGS-UT)2（

6、1+UDS)K導(dǎo)電因子（mA/V2)溝道調(diào)制長度系數(shù)n溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX單位面積柵氧化層電容W溝道寬度L溝道長度Sn溝道長寬比K本征導(dǎo)電因子Sect N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特性曲線UGS一定時(shí)， ID與UDS的變化曲線，是一族曲線 ID=f(UDS)UGS=C 輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)： ID與UDS的關(guān)系近線性 ID 2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)當(dāng)UGS變化時(shí)，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)當(dāng)UGS一定時(shí)，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)Sect N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特性曲

7、線輸出特性曲線2. 恒流區(qū)： 該區(qū)內(nèi)，UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變3.擊穿區(qū)： UDS 增加到某一值時(shí)，ID開始劇增而出現(xiàn)擊穿。 當(dāng)UDS 增加到某一臨界值時(shí)，ID開始劇增時(shí)UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect 漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 當(dāng)UDS為0或較小時(shí)，相當(dāng) UGDUT，此時(shí)UDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在UDS作用下形成IDSectSect基礎(chǔ)知識 當(dāng)UDS增加到使UGD=UT時(shí)， 當(dāng)UDS增加到UGDU

8、T時(shí)，增強(qiáng)型MOS管 漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用 這相當(dāng)于UDS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，伸向S極。 UDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。 MOS管襯底的處理保證兩個(gè)PN結(jié)反偏，源極溝道漏極之間處于絕緣態(tài)NMOS管UBS加一負(fù)壓PMOS管UBS加一正壓處理原則：處理方法：Sect N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)3.3.2耗盡型MOS場效應(yīng)管+ + + + + + + 耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道Sect N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理當(dāng)UGS=0時(shí)，UDS加正向電壓，產(chǎn)生

9、漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示當(dāng)UGS0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。當(dāng)UGS0時(shí)，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UP表示。UGS(V)ID(mA) N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為IDK(UGS-UP)2溝道較短時(shí)，IDK(UGS-UT)2（1+UDS)UPID IDSS(1- UGS /UP)2常用關(guān)系式：Sect N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲線UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)N溝道耗盡型MOS管

10、可工作在UGS0或UGS0 N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在UGS0Sect3.3.3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(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型Sect絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型Sect場效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)Sect2. 夾斷電壓UP 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)UGS=UP 時(shí),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)UGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。1. 開啟電壓UT 開啟電壓是MOS增強(qiáng)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。Sect4. 直流輸入電阻RGS柵源間所加的恒定電壓UGS與流過柵極電流IG

11、S之比結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107，絕緣柵場效應(yīng)三極管RGS約是1091015。5. 漏源擊穿電壓BUDS使ID開始劇增時(shí)的UDS。6.柵源擊穿電壓BUGSJFET：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Sect 1. 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的求法: 圖解法gm實(shí)際就是轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率解析法：如增強(qiáng)型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2Sect 2. 襯底跨導(dǎo)gm b反映了襯底偏置電壓對漏極電流ID的控制作用跨導(dǎo)比Sect3. 漏極電阻rds反映了UDS對ID的影響，實(shí)際上是輸出特性曲線上工作點(diǎn)切線上的斜率4.導(dǎo)通電阻

12、Ron在恒阻區(qū)內(nèi)Sect5. 極間電容Cgs柵極與源極間電容Cgd 柵極與漏極間電容Cgb 柵極與襯底間電容Csd 源極與漏極間電容Csb 源極與襯底間電容Cdb 漏極與襯底間電容主要的極間電容有：Sect3.3、絕緣柵型場效應(yīng)晶體管IGFET（MOS）分增強(qiáng)型和耗盡型兩類：各類有分NMOS和 PMOS兩種：1) NMOS （Metal Oxidized Semiconductor) NMOS（D）P襯底NN源極 門極 漏極S G D 增強(qiáng)型N溝道示意B 基底NMOS（E）P襯底NN源極 門極 漏極S G D 耗盡型N溝道示意B 基底Sio2Sio2N溝道GDSGGGBB+2）P溝道MOS（M

13、etal Oxidized Semiconductor) N襯底PP源極 門極 漏極S G D 增強(qiáng)型P溝道示意B 基底PMOS（E）N襯底PP源極 門極 漏極S G D 耗盡型P溝道示意B 基底Sio2Sio2P溝道GDSGGGBB-PMOS（D）(1)工作狀態(tài)示意圖P襯底NNS G D UGSUDSBID耗盡區(qū)+ +- - - -GDSBIDUDSUGS(2) IGFET 工作原理(NMOS)耗盡型場效應(yīng)管的工作原理類似結(jié)型場效應(yīng)管。增強(qiáng)型IGFET象雙結(jié)型三極管一樣有一個(gè)開啟電壓VT ，（相當(dāng)于三極管死區(qū)電壓）。當(dāng)UGS低于VT時(shí)，漏源之間夾斷。ID=0當(dāng)UGS高于VT時(shí)，漏源之間加電壓

14、后。 ID=ID0（ -1）2 ；IDO為2VT時(shí)的ID 當(dāng)UDS小于等于UGS-VT時(shí)，進(jìn)入可變電阻區(qū) UGSVTuGS iDgm=2ID0(UGS-1)VT=VT2IDID0VT(3) IGFET（E）特性曲線UDS可變電阻區(qū)截止區(qū)IB0UDS=UGS-VTNMOS的輸出特性曲線2.0V4.0V6.0VUGS=8.0VA ID放大區(qū)0擊穿區(qū)UDS=5VUGSVID A0 2 4 6 82001501005020015010050NMOS的轉(zhuǎn)移特性曲線(4)主要參數(shù)：1）開啟電壓VT:手冊給出是ID為一微小值時(shí)的VGS2）飽和漏極電流IDO; VGS=2VT時(shí)的ID3)、 電壓控制電流系數(shù)g

15、m= 也稱跨導(dǎo)（互導(dǎo)）4）交流輸出電阻 rds= 5)極限參數(shù)：V（BR）DS 漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。 V（BR）GS 柵源間的最高反向擊穿 PDM 最大漏極允許功耗 ，與三極管類似。vgsidUds=常數(shù)udsidvgs=常數(shù)uds id2IDID0VT=3）FET的三種工作組態(tài)以NMOS（E）為例：IDGRDSBUDSUGS輸入輸出共源組態(tài)：輸入：GS輸出：DSGRDDBUDSUGS輸入輸出共漏組態(tài)：輸入：GS輸出：DSGRDSBUDS輸入輸出共柵組態(tài)：輸入：GS輸出：DS一. 結(jié)型場效應(yīng)管 1. 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極： G：柵極 D：漏

16、極 S：源極符號：3.4 場效應(yīng)管放大電路2. 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理 （1）柵源電壓對溝道的控制作用 在柵源間加負(fù)電壓VGS ，令VDS =0 當(dāng)VGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。當(dāng)VGS時(shí)，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。當(dāng)VGS到一定值時(shí) ，溝道會完全合攏。定義： 夾斷電壓Up使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓VGS。（2）漏源電壓對溝道的控制作用 在漏源間加電壓VDS ，令VGS =0 由于VGS =0，所以導(dǎo)電溝道最寬。 當(dāng)VDS=0時(shí)， ID=0。VDSID 靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。當(dāng)VDS ，使VGD=VG S- VDS=

17、VP時(shí)，在靠漏極處夾斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前， VDSID 。預(yù)夾斷后， VDSID 幾乎不變。VDS再，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。（3）柵源電壓VGS和漏源電壓VDS共同作用可用輸兩組特性曲線來描繪。 ID=f（ VGS 、VDS）（1）輸出特性曲線： ID=f（ VDS ）VGS=常數(shù) 3 結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線 四個(gè)區(qū)： 可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷前。 電流飽和區(qū)（恒流區(qū)）： 預(yù)夾斷后。 特點(diǎn)： ID / VGS 常數(shù)= gm 即： ID = gm VGS（放大原理） 擊穿區(qū)。 夾斷區(qū)（截止區(qū)）。 (a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲演示：動畫（2-6） 動畫（2-7）（2）轉(zhuǎn)移特性曲線： ID=f（

18、 VGS ）VDS=常數(shù)4 .場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1) 開啟電壓VT VT 是MOS增強(qiáng)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 VP 是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時(shí),漏極電流為零。 （3）飽和漏極電流IDSS MOS耗盡型和結(jié)型FET, 當(dāng)VGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。 （4）輸入電阻RGS 結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于107，MOS場效應(yīng)管, RGS可達(dá)1091015。（5） 低頻跨導(dǎo)gm gm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。（6） 最大漏極功耗PDM PDM= VDS ID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。1. 直流偏置電路：保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真 二. 場效應(yīng)管放大電路（1）自偏壓電路vGSvGS =- iDR 注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。計(jì)算Q點(diǎn)：VGS 、 ID 、VDSvGS =VDS =VDD- ID (Rd + R )已知VP ，由- iDR可解出Q點(diǎn)的VGS 、 ID 、 VDS （2）分壓式自偏壓電路VDS =VDD-ID(Rd+R)可解出Q點(diǎn)的VGS 、 ID 、 VDS 計(jì)算Q點(diǎn)：已知VP ，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。2. 場效