電工學(xué)場效應(yīng)

電工學(xué)場效應(yīng)1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應(yīng)管分類：2第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月15.9.1絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)1010

以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。3第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖SGDB4第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1.工作原理絕緣柵場效應(yīng)管利用UGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD5第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型襯底N+N+BGSD柵極金屬層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS

耗盡層變寬。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會在耗盡層和SiO2之間形成可移動的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)

或UT為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓。6第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)

UDS對導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID

。可變電阻區(qū)b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。預(yù)夾斷c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，增大部分全部用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力，iD因而基本不變。恒流區(qū)a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)7第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖UDS

對導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT時(shí)，對應(yīng)于不同的uGS就有一個(gè)確定的iD

。此時(shí)，可以把iD近似看成是uGS控制的電流源。8第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.特性曲線與電流方程(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性UGS<UT，iD=0；

UGS

≥

UT，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UT

時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO圖(a)圖(b)iD/mAuDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)。UGS增加9第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，iD

減??；

UGS=

UP,感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。UP或UGS(off)稱為夾斷電壓，負(fù)值10第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS

正、負(fù)、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS耗盡型MOS管的符號SGDB(b)輸出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N溝道耗盡型MOSFET11第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、P溝道MOS管1.P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓UGS(th)<0當(dāng)UGS<UGS(th)

，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓管子才導(dǎo)通,空穴導(dǎo)電。2.P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓UGS(off)＞0UGS

可在正、負(fù)值的一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對iD的控制，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道四、VMOS管VMOS管漏區(qū)散熱面積大，可制成大功率管。12第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UP或UGS(off)3.開啟電壓UT

或UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。UGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流，為耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在107

以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于109

。13第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm受控源參數(shù)2.極間電容用以描述柵源之間的電壓uGS

對漏極電流iD

的控制作用。單位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西門子(mS)這是場效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括Cgs、Cgd、Cds。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。14第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月跨導(dǎo)gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID15第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、極限參數(shù)3.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS4.柵源擊穿電壓U(BR)GS由場效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。場效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS

，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。1.最大漏極電流IDM16第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管放大電路小結(jié)(1)場效應(yīng)管放大器輸入電阻很大。(2)場效應(yīng)管共源極放大器(漏極輸出)輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻=RD。(3)場效應(yīng)管源極跟隨器輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸出電阻小。17第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)NPN型、PNP型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道C與E一般不可倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子運(yùn)動輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)場效應(yīng)管與晶體管的比較18第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成晶體管場效應(yīng)管19第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月§15.9.2場效應(yīng)管放大電路1.電路的組成原則及分析方法(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流（ID）區(qū)。(2)動態(tài):能為交流信號提供通路。組成原則靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法20第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管符號及特性曲線GSDIDUDSUGSGSD21第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨導(dǎo)gm=

ID/

UGS

ID=gm

UGSid=gmugsID=gm

UGS22第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2場效應(yīng)管的微變等效電路GSDSGDrDSidrDS=

UDS/

ID很大，可忽略。23第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管的微變等效電路壓控電流源（VCCS）SGDid流控電流源(CCCS)對照becrbeic=ibib24第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3場效應(yīng)管放大電路uo+UDDRSuiCSC2C1RDRGRLGDSIDUDSIS注：柵極無電流UGS＝－RSIS＝－RSIDUDS＝UDD－RDID–RSIS=UDD－ID(RD+RS)電路中元件作用：RG－柵極電阻RS－源極電阻RD－漏極電阻CS－源極旁路電容SEEP82思考：自給偏壓共源極放大電路動靜態(tài)分析。25第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月RLuoC2思考：自給偏壓共源極放大電路動靜態(tài)分析。SEEP8226第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4分壓式偏置電路靜態(tài)分析無輸入信號時(shí)（ui=0），估算：UDS和ID。uo+UDD=+20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4VP84例27第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月IG=0直流通道+UDD+20VR1RDRGR2200K51K1M10KRS10KGDSIDUDSIG計(jì)算得：28第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)分析微變等效電路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10K29第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRL

DRLRD=–gmUiRL

電壓放大倍數(shù)負(fù)號表示輸出輸入反相30第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓放大倍數(shù)估算=-1.5

（10//10）=-7.5RL=RD//RLR1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4V31第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ro=RD=10K

SGR2R1RGRL

DRLRD輸入電阻、輸出電阻=1+0.2//0.051=1.0407M

rirori=RG+R1//R2R1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4V32第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5源極輸出器uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KR1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4V33第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)工作點(diǎn):計(jì)算得：IG=034第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10K微變等效電路：35第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月微變等效電路：Ui=Ugs+UoUo=Id(RS//RL)=gmUgsRLrirogR2R1RGsdRLRS36第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月求riri=RG+R1//R2rirogR2R1RGsdRLRS37第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月求ro加壓求流法=RS1+gmRSrirogR2R1RGsdRLRS38第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ri=RG+R1//R2+UDD+20VuoRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KA