单极型半导体三极管及其电路分析.

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1、2.3 2.3 单极型半导体三极管及其电路分析单极型半导体三极管及其电路分析 1. 了解场效应管的结构，理解其工作原理，掌握各 类场效应管的符号。 2. 掌握场效应管的伏安特性、工作特点与主要参数。 3. 理解场效应管放大电路的分析方法。 主要要求 第2章 半导体三极管及其电路分析 第2章 半导体三极管及其电路分析 场效应管 FET (Field Effect Transistor)优点： 2. 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、工艺简单、 功耗小、宜大规模集成。 1. 输入阻抗高 (107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ) 类 型 金属氧化物半导体型（MOSFET 即 Metal

2、OxideSemiconductor type Field Effect Transistor） 结型 （JFET即 (Junction Field Effect Transistor) N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 第2章 半导体三极管及其电路分析 2.3.1 MOS场效应管的结构、 工作原理及伏安特性 一、N 沟道增强型 MOSFET（简称NEMOS管） 1. 结构与符号 P 型衬底 (掺杂浓度低) N+N+ 用扩散的方法 制作两个 N 区 在硅片表面生一层 薄 SiO2 绝缘层 S D 用金属铝引出 源极 S 和漏极 D G 在绝缘层上喷金属 铝引出栅极

3、 G B 耗尽层 S G D B 引出衬底引线B 动画：NMOSFET结构 （1) uGS 对导电沟道的影响 a. 当 uGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结,无导电沟道。 b. 当 0 107 MOSFET：RGS = 109 1015 IDSS uGS /V iD /mA O 第2章 半导体三极管及其电路分析 4. 低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS) uGS /V iD /mA Q O 耗尽型管放大工作时 增强型管放大工作时 IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值 第2章 半导体三极管及其电路分析 指

4、漏源间间能承受的最大电压电压 ，当uDS值值超过过U(BR)DS值时值时 ， 栅栅漏间发间发 生击击穿 。 5. 漏源动态电阻 rds 6. 漏源击击穿电压电压 U(BR)DS 饱和区时rds 一般为几十k 几百k PD = uDS iD，受温度限制。 8. 最大漏极功耗 PDM 指栅栅源间间所能承受的最大反向电压电压 ，uGS值值超过过此值时值时 ， 栅栅源间发间发 生击击穿。 7. 栅栅源击击穿电压电压 U(BR)GS 指允许许耗散在管子上的最大功率 例 有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别 下图所示，试判断它们各为何种类型的管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽

5、型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。 第2章 半导体三极管及其电路分析 例 有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别 下图所示，试判断它们各为何种类型的管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。 解： 图（a）为输出特性曲线， uGS为正、负、零都可以，而 uDS为正，故为N沟道DMOS管。 由于uGS = -4V时，iD0 ，故 UGS( off ) = -4V。由于uGS0时， iD的饱和值为2mA ，故 IDSS2mA 。 第2章 半导体三极管及其电路分析 例 有四种场效应管

6、，其输出特性或饱和区转移特性分别 下图所示，试判断它们各为何种类型的管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。 图图（b）也为输为输 出特性曲线线，uGS 为为负值负值 ，uDS也为为负值负值 ，故为为P沟 道EMOS管。由于uGS = -2V时时， iD0 ，故UGS( th) = -4V。 第2章 半导体三极管及其电路分析 例 有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别 下图所示，试判断它们各为何种类型的管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电

7、流IDSS 。 图图（c）为饱为饱 和区转转移特性曲 线线，uGS为为零或负值负值 ，故为为N沟道 结结型场场效应应管。由于uGS = -4V时时 ，iD0 ，故UGS( off) = -4V。由于 uGS0时时，iD4mA ，故IDSS 4mA 。 第2章 半导体三极管及其电路分析 例 有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别 下图所示，试判断它们各为何种类型的管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。 图图（d）也为饱为饱 和区转转移特性曲 线线，uGS为为正、负负、零都可以，但 UGS( off) = -

8、4V，即UGS( off)为负值为负值 ， 故为为N沟道DMOS管。IDSS2mA 。 第2章 半导体三极管及其电路分析 作业： P83-85 2.11(c)(d) 2.11(b)(d) 第2章 半导体三极管及其电路分析 2.3.4 场效应管基本应用电路及其分析方法 基本应应用：放大电电路、电电流源电电路、压压控电电阻、开关电电 路 三极管放大电电路 组组成原则则：有合适的静态态工作点，使场场效应应管工作 在 放大状态态; 有合理的交流通路，使信号能 被顺顺利传输传输 并放大。 分析方法： 通常用公式法计计算Q点，用小信号模型法 进进行动态动态 分析。 也可用图图解法。 第2章 半导体三极管及

9、其电路分析 场场效应应管的小信号模型 小信号模型 简简化小信号模型 uDS /V iD /mA uGS = 4 V 2 V 0 V 2 V O 第2章 半导体三极管及其电路分析 例2.3.2 下图图中，RG=1M，RS=2k，RD=12k，VDD=20V 。场场效应应 管的IDSS=4mA，UGS(off)=-4V，求UGSQ、IDQ和UDSQ 。 解： 设场效应管放大工作，则由电路可列出 代入元件参数，求解方程组组得两个解分别别 为为IDQ=4mA和IDQ1mA。 由IDQ=4mA，得UGSQ = -4mA2k = -8V，其值值已小于UGS(off) ，对对 应应的IDQ应为应为 零，故不

10、合理，应应舍弃。方程解应为应为 IDQ1mA ，由此可求 得 UGSQ = -（12）V = -2V UDSQ =（20 -1(12+2)）V= 6V 由于 UGSQUGS(off) = - 4V UDSQUGSQ -UGS(off)= -2V+4V = 2V 故上述假设设正确，计计算结结果有效，即UGSQ =-2V ，IDQ1mA ，UDSQ = 6V 第2章 半导体三极管及其电路分析 例2.3.3 图图示场场效应应管放大电电路中，us =20sint (mV)，场场效应应管的 IDSS=4mA，UGS(off)= - 4V，电电容CS很大，对对交流信号可视为视为 短路，试试求交 流输输出电

11、压电压 uo的表达式。 解： （1）求 IDQ 、gm 该电该电 路的直流通路及其参数与例 2.3.2中相同，故 IDQ1mA 由耗尽型场场效应应管gm公式得 （2）画出放大电路的交流通路和小信号等效电路 第2章 半导体三极管及其电路分析 （3） 求uo uo= - gm ugs RD = - gm us RD = 作业：P84 2.14 场场效应应管是利用栅栅漏电压电压 改变导电变导电 沟道的宽宽窄来实现实现 对对 漏极电电流控制的，由于输输入电电流极小，故称为电压为电压 控制电电流 型器件，而双极型三极管则则称为电为电 流控制型器件。与双极型 三极管相比，场场效应应管具有输输入阻抗非常高、噪声低、热稳热稳 定性好、抗辐辐射能力强等优优点，而且特别别适宜大规规模集成。 场场效应应管有耗尽型和增强型之分，耗尽型存在原始导电导电 沟 道，而增强型只有在栅栅源电压绝对值电压绝对值 大于开启电压电压 绝对值值 后，才会形成导电导电 沟道。各类场类场 效应应管均有N沟道和P 沟道 之 分，故共有六种类类型场场效应应管。请请注意比较较它们们的符号、伏 安特性和工作电压电压 极性要求。 结论 第2章 半导体三极管及其电路分析 第2章 半导体三极管及其电路分析 当场场效应应管工作于饱饱和区时时，对对于耗尽型管有 对对于增强型管有 IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值