第四节场效应晶体管课件

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1、1.4 场效应晶体管,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件,是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分,它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,1.4. 1 结型场效应管(Junction Field Effect Transistor),1. 结型场效应管,箭头方向表示栅结 正偏或正偏时栅极 电流方向。,N沟道结型场效应管的结构动画,D(Drain):漏极,相当c G(Gate):栅极,相当b S(Source):源极,相当e,2. 工作原理,(1)VGS对导电沟道的影响:,VP(VGS(OFF) ):夹断电压,(a) VGS=0,V

2、DS=0,ID=0,结型场效应管通常工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区,P沟道的只能工作在正栅压区。,N沟道结型场效应管工作原理:,工作原理,(c) |VGS | = VP ,导电沟道被全夹断,VGS控制导电沟道的宽窄,即控制ID的大小。,VP(VGS(OFF) ):夹断电压,工作原理,(2)VDS对导电沟道的影响:,VDS0 ,但|VGS-VDS| | VP |. VDS增加,d端电位高,s端电位低,导电沟道内存在电位梯度,所以耗尽层上端变宽。 VDS ID ,工作原理,(b) | VGS- VDS | = | VP |时,导电沟道在a点相遇,沟道被夹断。 VGS=0时

3、,产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS,工作原理,(c) VDS夹端长度 场强大 ID=IDSS基本不变。,J型场效应管的工作原理动画,3. 特性曲线,VDS=10V时的转移特性曲线,IDSS是在VGS = 0, VDS |VP | 时的漏极电流,当|vGS - vDS | | vP |后,管子工作在恒流区,vDS对iD的影响很小。实验证明,当|vGS - vDS | | VP | 时,iD可近似表示为:,特性,特性2,1.4. 2绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transistor),绝缘栅型场效应管IGFET又称金属氧化物场效应管MOSFET

4、( Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体表面的电场效应,由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件,它的栅极与半导体之间是绝缘的,其电阻可达1015。,增强型:VGS=0时,漏源之间没有导电沟道, 在VDS作用下无iD。,耗尽型:VGS=0时,漏源之间有导电沟道, 在VDS作用下有iD。,1. N沟道增强型MOSFET,浓度较低的P型硅 SiO2 薄膜绝缘层 两个高掺杂的N型区 从N型区引出电极作为D和S 在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为G,D(Drain):漏极,相当c G(Gate):栅极,相当b S(Source):源极,相当e B(

5、Substrate):衬底,结构动画,(1) 结构和符号,(2) 工作原理(以N沟道增强型为例),(a) VGS=0时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管,在D、S之间加上电压,不管VDS极性如何,其中总有一个PN结反向,所以不存在导电沟道。 VGS =0, ID =0 VGS必须大于0 管子才能工作。,栅源电压VGS的控制作用,栅源电压VGS的控制作用动画,栅源电压VGS的控制作用,(b)当栅极加有电压时,若 0VGSVT ( VT 称为开启电 压),0VGSVT , ID=0,栅源电压VGS的控制作用动画,栅源电压VGS的控制作用,(c)进一步增加VGS,当VGSVT时,,VGS 0g吸引电

6、子反型层导电沟道 VGS 反型层变厚 VDS ID ,栅源电压VGS的控制作用动画,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,(a)如果VGSVT且固定为某一值,,沟道变化; VDS ID ,漏源电压VDS对漏极电流ID的影响,漏源电压VDS对沟道的影响动画,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,(b)当VDS增加到使VGD=VT时,沟道如图所示,靠近漏极的沟道被夹断,称为预夹断。,漏源电压VDS对沟道的影响动画,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,VDS ID 不变,(c)当VDS增加到VGDVT时,沟道如图所示。此时预夹断区域加长,向S极延伸。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断

7、沟道上, ID基本趋于不变,漏源电压VDS对沟道的影响动画,(3) 特性曲线(以N沟道增强型为例),转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。 gm 的量纲为mA/V,称为跨导。 gm=ID/VGS VDS=const,输出特性曲线,(1) 截止区(夹断区) VGS VT以下区域就是截止区 VGS VT ID=0,(3) 放大区(恒流区) 产生夹断后,VDS增大,ID不变的区域,VGS -VDS VP , VDSID不变 处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源,(2)饱和区(可变电阻区) 未产生夹断时,VDS增大,ID随着增大的区域 VGS -VDS VT V

8、DSID 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻,2.其它类型MOS管,(1)N沟道耗尽型:,各种类型MOS管的特性曲线,各种类型MOS管的特性曲线,1.4. 3 场效应管的主要参数,开启电压VT :在VDS为一固定数值时,能产生ID所需要的最小 |VGS | 值。(增强),1.直流参数,夹断电压VP :在VDS为一固定数值时,使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。(耗尽),饱和漏极电流IDSS :在VGS = 0时, VDS |VP |时的漏 极电流。(耗尽),(4) 直流输入电阻Rgs :在VDS = 0时,栅源间直流电压与栅极直流电流的比值,2.交流参数,(2)输出电阻rd

9、s :表示VDS对iD的影响,它是输出特性曲线上工作点处斜率的倒数。,(3)极间电容 :漏源电容CDS约为 0.11pF,栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为13pF。,3.极限参数,(1) 最大漏极电流 IDM,(3) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS,(2) 最大漏极耗散功率 PDM,1.4.4场效应管与双极型三极管的比较及使用注意事项,2.5 场效应管放大电路,场效应管的小信号模型 共源极放大电路 共漏极放大电路 共栅组态基本放大电路,2.5.1场效应管的小信号模型,一般rds很大,可忽略,得简化小信号模型:,2.5.2 共源极放大电路,以NMOS增强型场效应

10、管为例,三极管与场效应管三种组态对照表:,1 电路组成,比较共源和共射放大电路,它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出,就是一个解电路的问题了。,图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻,Rs是源极电阻,Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2,Re和Rc分别一一对应。,2 静态工作点的确定(估算法),直流通路,静态工作点(估算法): VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。,3 动态参数分析,微变等效电路,2.5.3 共漏极放

11、大电路,直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDIDR 由此可以解出VGS、ID和VDS。,与三极管共集电极电路对应,直流通路:,Rg的作用?,交流分析,输出电阻,2.5.4 共栅极放大电路,RoRd,例题1 共源,已知: gm=0.3mA/V IDSS=3mA VP=-2V,解:静态分析: VGS=-RID ID= IDSS1(VGS /VP)2 代入参数得: 3ID2-7ID+3=0 ID=0.57mA ID=1.77mA VGS=-1.14V VDS=VDD-ID(Rd+R)=8.31V,(不合理,舍去),例题1解,动态分析: Ri=Rg=10M Ro=Rd=15K,

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