第四章场效应管及其基本放大电路课件.ppt
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- 第四 场效应 及其 基本 放大 电路 课件
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1、第第4章章 场效应管及其场效应管及其基本放大电路基本放大电路 4.1 引言引言场效应管的优点场效应管的优点 输入阻抗高输入阻抗高 抗干扰能力强抗干扰能力强 功耗小功耗小分类:分类:结型场效应管结型场效应管 JFET 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管IGFET 又称为又称为MOSFET N沟道沟道场效应管场效应管 P沟道沟道场效应管场效应管4.2 场效应管场效应管4.2.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管种类:种类:增强型(增强型(沟道从无到有沟道从无到有)N P 耗尽型(耗尽型(沟道从有到无沟道从有到无)N PP型衬底BSiO2N+N+SD 1.结构结构G一、一、N沟道增强型沟道增强型MOS管管
2、 N沟道增强型沟道增强型MOS管的符号如上图所示。左面的一个衬管的符号如上图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连,右面的一个没有连接,使用时需要底在内部与源极相连,右面的一个没有连接,使用时需要在外部连接。在外部连接。DGSBDGSBN沟道增强型沟道增强型MOS管的符号管的符号 2.N沟道增强型沟道增强型MOS管的工作原理管的工作原理 分两个方面进行讨论:分两个方面进行讨论:一是栅源电压一是栅源电压UGS对沟道产生的影响,从而对漏极电流对沟道产生的影响,从而对漏极电流ID产生影响;产生影响;二是漏源电压二是漏源电压UDS对沟道产生影响,从而对漏极电流对沟道产生影响,从而对漏极电流ID产生影响。
3、产生影响。SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+令漏源电压令漏源电压UDS=0,加入栅,加入栅源电压源电压UGS以后并不断增加。以后并不断增加。UGS带给栅极正电荷,将正带给栅极正电荷,将正对对SiO2层表面下衬底中的空穴推层表面下衬底中的空穴推走,从而形成负离子层,即耗尽走,从而形成负离子层,即耗尽层,用绿色的区域表示。层,用绿色的区域表示。在栅极下的表层感生一定的电在栅极下的表层感生一定的电子电荷,从而在漏源之间可形成子电荷,从而在漏源之间可形成导电沟道,即导电沟道,即反型层反型层。反型层(1)栅源电压栅源电压UGS的控制作用的控制作用栅源电压的控制作用栅源电
4、压的控制作用SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+反型层形成后,此时若加上反型层形成后,此时若加上UDS,就会有漏极电流,就会有漏极电流ID产生。产生。0DSU 当当UGS较小时,不能形成有较小时,不能形成有效的沟道,尽管加有效的沟道,尽管加有UDS,也,也不能形成不能形成ID。当增加。当增加UGS,使,使ID刚刚出现时,对应的刚刚出现时,对应的UGS称为称为开启电压开启电压,用,用UGS(th)或或UT表示。表示。DI 显然改变显然改变UGS就会改变沟道,从而影响就会改变沟道,从而影响ID,这说明,这说明UGS对对ID的控制作用。的控制作用。设设UGSUGS(t
5、h),增加,增加UDS,此时沟道的变化如下。,此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 漏源电压也会对沟道产生漏源电压也会对沟道产生影响,影响,因为源极和衬底相连接,因为源极和衬底相连接,所以加入所以加入UDS后,后,UDS将从漏将从漏到源逐渐降落在沟道内到源逐渐降落在沟道内,漏极,漏极和衬底间反偏最大,和衬底间反偏最大,PN结的结的宽度最大。所以加入宽度最大。所以加入UDS后,后,在漏源之间会形成一个在漏源之间会形成一个楔形楔形的的PN结区,从而影响沟道的导结区,从而影响沟道的导电性。电性。2.漏源电压漏源电压UDS的控制作用的控制作
6、用漏源电压的控制作用漏源电压的控制作用SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 当当UDS进一步增加时,进一步增加时,ID会不断增加,同时,漏端的耗会不断增加,同时,漏端的耗尽层上移,会在漏端出现夹断,尽层上移,会在漏端出现夹断,这种状态称为这种状态称为预夹断预夹断。预夹断 当当UDS进一步增加时,进一步增加时,漏端的耗尽层向源极伸展,漏端的耗尽层向源极伸展,此时此时ID基本不再增加,增基本不再增加,增加的加的UDS基本上降落在预夹基本上降落在预夹断区。断区。DI漏源电压的控制作用漏源电压的控制作用OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105u
7、DS/V恒流区.3.3.特性曲线特性曲线(1)输出特性曲线 当UGSUGS(th),且固定为某一值时,反映UDS对ID的影响,即iD=f(uDS)UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。曲线分五个区域:(1)可变电阻区(2)恒流区(放大区)(3)截止区(4)击穿区(5)过损耗区可变电阻区截止区击穿区过损耗区(2)转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm称为跨导。constGSDmDS=UUIg单位mS(mA/V)21GSDDOGS th=uiIuOGSu4321/VDimA/4321UGS(th)10VDS=UOV2GS=UV3+V5.3+V4+
8、DimA/15105uDS/V恒流区.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线,从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线,过程如下:过程如下:10VDS=UOuGS4321/VDimA/4321UGS(th)二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+N沟道耗尽型管的结构和符号沟道耗尽型管的结构和符号1.SiO2中掺入正离子中掺入正离子2.符号:沟道连续符号:沟道连续3.工作原理:工作原理:4.导电沟道存在导电沟道存在 5.沟道被削弱沟道被削弱 当当 时,沟道消时,沟道消失失6.沟道被增强沟道被增强7.0GS=U0GSU0GSUGSGS offUU=0432
9、1654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线如右上图所示。沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线如右上图所示。耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示夹断电压IDSS 当当UGS=0时,对应的漏时,对应的漏极饱和电流用极饱和电流用IDSS表示。当表示。当UGS0时,将使时,将使ID进一步增进一步增加。加。UGS0时,随着时,随着UGS的的减小漏极电流逐渐减小,直减小漏极电流逐渐减小,直至至ID=0。对应。对应ID=0的的UGS称称为为夹断电压夹断电压,用符号,用符号UGS(off)表示,有时也用表示,有时
10、也用UP表示。表示。)0()1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSD=uUUuIi耗尽型管的特性转移特性耗尽型管的特性转移特性 三、三、P沟道沟道MOS管管P型衬底BSiO2N+N+SDGNP+P+P沟道MOS管的结构与N沟道MOS管相同,只不过半导体的极性相反,电源电压、偏置电压的极性也相反。漏极电流的方向相反,夹断电压和开启电压的极性也相反。衬底由P型改为N型;漏、源两个电极的搀杂由N+改为P+。P沟道沟道MOSFET的结构的结构增强型增强型 耗尽型耗尽型0GS thU0GS offUGSGS thUU 场效应三极管有二种结构形式:场效应三极管有二种结构形式:1.绝缘栅场效应晶体
11、管绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)-增强型增强型 耗尽型耗尽型 2.结型场效应晶体管结型场效应晶体管(JFET)-只有耗尽型只有耗尽型 4.2.2 结型场效应管结型场效应管NGDSPP1.结型场效应晶体管的结构结型场效应晶体管的结构 JFET的结构与的结构与MOSFET相似,工作机理则相同。相似,工作机理则相同。PN结N沟道(1)栅源电压对沟道的控制作用)栅源电压对沟道的控制作用NGDSGSUDSUDIPP0D=IOUGSID2.结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 场效应管是一种电压控制电流源器件,它的漏极电流场效应管是一种电压控制电流源器件,它的漏极电流受栅源电压受栅源电压UGS
12、和漏源电压和漏源电压UDS的双重控制。的双重控制。栅源电压的控制作用栅源电压的控制作用UGS(off)NGDSGSUDSUPPDI(2)漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用预加断预加断预加断预加断OUDSIDGSU漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用各种场效应管符号和特性曲线比较场效应管场效应管分类分类 2.结型场效应晶体管结型场效应晶体管N沟道耗尽型沟道耗尽型 1.绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管P沟道耗尽型沟道耗尽型 增强型增强型 耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道DGSBDGSBDGSBSGD N沟道增强沟道增强型型MOS管,管,衬底箭头向里
13、。衬底箭头向里。漏、衬底和源、漏、衬底和源、开,表示零栅开,表示零栅压时沟道不通。压时沟道不通。表示衬表示衬底在内部底在内部没有与源没有与源极连接。极连接。N沟道耗尽沟道耗尽型型MOS管。管。漏、衬 底 和漏、衬 底 和源 不 断 开 表源 不 断 开 表示 零 栅 压 时示 零 栅 压 时沟 道 已 经 连沟 道 已 经 连通。通。N沟道沟道结型结型MOS管。没有管。没有绝缘层绝缘层,只有耗尽只有耗尽型。型。如果是如果是P沟道,箭头则向外。沟道,箭头则向外。场效应管的符号场效应管的符号N沟道增强型MOSFET类型类型 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 P沟道增强型M
14、OSFET场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线N沟道耗尽型MOSFET P沟道耗尽型MOSFET 类型类型 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 N沟道 JFET 类型类型 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 P沟道 JFET 开启电压开启电压UGS(th)(或UT)-开启电压是增强型MOS管的参数,栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不导通。夹断电压夹断电压UGS(off)(或或UP)-夹断电压是耗尽型场效应管的参数,当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS-耗尽型场效应管,当UGS=0时所对应的漏极电流。1
15、.直流参数直流参数 输入电阻输入电阻RGS-场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,对于结型场效应三极管,反偏时RGS约大于107,对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。4.2.3 FET的参数的参数 低频跨导低频跨导gm-低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,这一点与晶体管的控制作用相似。作用,这一点与晶体管的控制作用相似。gm可以在转可以在转 移特性移特性曲线上求取,单位是曲线上求取,单位是mS(毫西门子毫西门子)。极间电容极间电容-场效应晶体管的三个电极之间存在电容。场效应晶体管的三个电极之间存在电容。一般一般Cgs和和Cgd约为约为13pF
16、,Cds约为约为0.11pF。2.交流参数交流参数constGSDmDS=Uuig3.极限流参数极限流参数 最大漏极电流最大漏极电流IDM-场效应管正常工作时的漏极电流场效应管正常工作时的漏极电流的上限值。的上限值。击穿电压击穿电压U(BR)GS-结型结型场效应管栅源之间所加的反向场效应管栅源之间所加的反向电压电压使使PN结击穿的电压值,或绝缘栅场效应管的栅极绝缘结击穿的电压值,或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层击穿的电压值。层击穿的电压值。最大漏极功耗最大漏极功耗PDM-最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM=UDS ID决决定,与双极型晶体管的定,与双极型晶体管的PCM相当。相当。击穿电压击穿电
17、压U(BR)DS-场效应管进入恒流区,场效应管进入恒流区,uds的增加使的增加使 iD骤然增加的漏源电压值。骤然增加的漏源电压值。4.场效应晶体管的型号 场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型晶体管相同,第三位字母J代表结型场效应管,O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料,D是P型硅,反型层是N沟道;C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应晶体管,3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应晶体管。第二种命名方法是第二种命名方法是CS#,CS代表场效应管,以代表场效应管,以数字代表型号的序号,数字代表型号的序号,#用字母代表同一型号中的不同规格。用字母代表同一型号中的不同规格
18、。例如例如CS14A、CS45G等。等。几种常用的场效应管的主要参数见下表:场效应管的参数总结:总结:1.关于关于 和和 的极性的极性2.(1)N沟道沟道 P沟道沟道3.(2)用作增强型)用作增强型 和和 极性相同极性相同4.用作耗尽型(包括结型用作耗尽型(包括结型FET)和和 极性相极性相反反5.(3)若)若 正确正确 错了错了 相当于电阻相当于电阻6.2.工作在恒流区的条件工作在恒流区的条件DSuGSu0DSu0DSuDSuGSuDSuGSuDSuGSu4.2.4 BJT和和FET的比较的比较BJT:CCCS 内阻小内阻小 双极型双极型 热稳定性差热稳定性差 功耗大功耗大 不易集成不易集成
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