《场效应管及其基本放大电路幻灯片课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《场效应管及其基本放大电路幻灯片课件（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 场效应管及其基本放大电路,3.1结形场效应管 3.2砷化镓金属-半导体场效应管 3.3金属-氧化物-半导体场效应管 3.4场效应管放大电路 3.5各种放大器件电路性能比较,3.1 场效应晶体管(FET）,分类和结构： 结型场效应晶体管JFET 绝缘栅型场效应晶体管IGFET,N,P,PN结耗尽层,P,源极 门极 漏极 S G D,JFET结构,IGFET结构,N 沟 道,3.1结型场效应晶体管JFET,1) P 沟道和N沟道结构及电路符号,2)工作等效（以P沟道为例）,Ugs,Is,Id,1）PN结不加反向电压（Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的
2、截面积减少而增大。称可变电阻区 ； ID=UDs / RDs,RDS,P,N,N,G,ID,IS=ID,PN 结,PN 结,+,+,-,UGS增大耗尽层加厚。,UGS=0：ID=IDSS,电路图 等效图,2）恒流工作（电压控制电流源）,PN结加反向电压（Ugs) 使沟道微闭合时电流ID与UDS无关， 称恒流区。 ID=IDSS（1 - ）2,ugs,vP,电路图 等效图,3）截止工作,P,N,N,G,ID=0,IS=ID,PN 结,PN 结,+,+,-,RD,VDD,UGS,耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去,栅极电压UGS大于等 夹断电压UP时，ID=0 相当一个很大的电阻,3)、JFET
3、的主要参数,1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS 2）饱和漏极电流IDSS; VGS=0，时的ID,5)极限参数： V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。 PDM 最大漏极允许功耗 ，与三极管类似。,3)、 电压控制电流系数gm=,4）交流输出电阻 rds=,4）特性曲线：,与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：,0,ugs,(v),-4 -3 -2 -1,id,mA,5 4 3 2 1,VP,IDSS,N型JFET的转移曲线,UDS,可变电阻区,截止区IB0,UDS=UGS
4、-VP,N型JFET的输出特性曲线,-4V,-2.0V,-1V,UGS=0V,ma,（V）,ID,放 大 区,0,击 穿 区,Sect,3.3 MOSFET,增强型MOSFET,耗尽型MOSFET, N沟道增强型MOS场效应管结构,3.3.1增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S 发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管,Sect,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两
5、个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道, 这种类型的管子称为增强型MOS管,Sect, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UT,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对 沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n
6、沟道内电子的表面迁移率 COX单位面积栅氧化层电容 W沟道宽度 L沟道长度 Sn沟道长宽比 K本征导电因子,Sect, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,1.可变电阻区： ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS,当UGS变化时，RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 当UGS一定时，RON近似为一常数 因此又称之为恒阻区,Sect, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,2. 恒流区： 该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变,3.击穿区： UDS 增加到某一
7、值时，ID开始剧增而出现击穿。 当UDS 增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,Sect, 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS,当UDS为0或较小时，相当 UGDUT，,此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID,Sect,Sect,基础知识,当UDS增加到使UGD=UT时，,当UDS增加到UGDUT时，,增强型MOS管, 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向
8、S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。, MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,Sect, N沟道耗尽型MOS场效应管结构,3.3.2耗尽型MOS场效应管,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原始导电沟道,Sect, N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID, 此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示 当UGS0时，将使ID进一步增加。 当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=
9、0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。, N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,转移特性曲线,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UP)2,沟道较短时，,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),ID IDSS(1- UGS /UP)2,常用关系式：,Sect, N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0,Sect,3.3.3各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,Sect,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽
10、型,Sect,场效应管的主要参数,直流参数,交流参数,极限参数,Sect,2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,Sect,4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,Sect,1. 低频跨导
11、gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的求法: 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率 解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2,Sect,2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,Sect,3. 漏极电阻rds,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率,4.导通电阻Ron,在恒阻区内,Sect,5. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,Sect,3.3、绝缘栅型场
12、效应晶体管IGFET（MOS）,分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和 PMOS两种： 1) NMOS （Metal Oxidized Semiconductor),NMOS（D）,2）P沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor),源极 门极 漏极 S G D,增强型P沟道示意,B 基底,PMOS（E）,N 衬底,P,P,源极 门极 漏极 S G D,耗尽型P沟道示意,B 基底,Sio2,Sio2,P沟道,G,D,S,G,G,G,B,B,-,-,PMOS（D）,(1)工作状态示意图,P 衬底,N,N,S G D,UGS,UDS,B,ID,耗尽区,+ +,- - -
13、 -,(2) IGFET 工作原理(NMOS),耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。 增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压VT ，（相当于三极管死区电压）。 当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0 当UGS高于VT时，漏源之间加电压后。 ID=ID0（ -1）2 ；IDO为2VT时的ID 当UDS小于等于UGS-VT时，进入可变电阻区,UGS,VT,gm,=,2ID0(UGS-1),VT,=,VT,(3) IGFET（E）特性曲线,UDS,可变电阻区,截止区IB0,UDS=UGS-VT,NMOS的输出特性曲线,2.0V,4.0V,6.0V,UGS=8.0V,A,ID,放
14、大 区,0,击 穿 区,UDS=5V,UGS,V,ID A,0 2 4 6 8,200 150 100 50,200 150 100 50,NMOS的转移特性曲线,(4)主要参数：,1）开启电压VT:手册给出是ID为一微小值时的VGS 2）饱和漏极电流IDO; VGS=2VT时的ID 3)、 电压控制电流系数gm= 也称跨导（互导） 4）交流输出电阻 rds= 5)极限参数：V（BR）DS 漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS 栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗 ，与三极管类似。,vgs,id,Uds=常数,uds,id,vgs=常数,=,3）FET的三种工作组态,以NMOS（E）为例：,ID,G,RD,S,B,UDS,输 入,输 出,共栅组态： 输入：GS 输出：DS,一. 结型场效应管,1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极： G：栅极 D：漏极 S：源极,符号：,3.4 场效应管放大电路,2. 结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压VGS ，令VDS =0 当VGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,当VGS时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当VGS到一定值时 ，沟道会完全合拢。,定义： 夹断电压Up使导
