第3章场效应晶体管和基本放大电路课件.ppt
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1、思考:思考:3-1习题:习题:3-3、3-4、3-7、3-11理解场效应管的工作原理;理解场效应管的工作原理;掌握掌握场效应管的外特性及主要参数;场效应管的外特性及主要参数;掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数(Au、Ri、Ro)的分析方法。)的分析方法。通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。N沟道结构示意图沟道结构示意图SiO2N源极源极S栅极栅极G漏极漏极D NNPP
2、将它们连接在一起引出电极栅极G。N型半导体分别引出漏极D、源极S。P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。N沟道符号沟道符号dsgdsgP沟道符号沟道符号结型场效应管有结型场效应管有N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型两种类型。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图 若将G、S间加上不同的反偏电压,即可改变导电沟道的宽度,便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。在N型硅材料两端加上一定极性的电压,多子在电场力的作用下形成电流ID。这样既保证了栅-源之间的电阻很高,又实现了UGS对沟道电流ID的控制。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导
3、电沟道结构示意图结构示意图正常工作时:正常工作时:在栅-源之间加负向电压,(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压,(以形成漏极电流)当UGS=0时,耗尽层很窄,导电沟道宽。随|UGS|增大,耗尽层增宽,沟道变窄,电阻增大。|UGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。|UGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。定义此时消失,沟道电阻趋于无穷大。定义此时UGS的的值为值为 dsgUDSID 当当 UDS=0时,虽有导时,虽有导电沟道,但电沟道,但ID为为零。零。当当UDS 0时时,产生,产生ID,但但,近,近漏
4、漏极电压最大,近源极电极电压最大,近源极电压最小。压最小。导电沟道宽度不再相导电沟道宽度不再相等,近漏极沟道窄,近等,近漏极沟道窄,近源极沟道宽。源极沟道宽。dsgUDSID 随着UDS增加,栅-漏电压|UGD|增加,近漏端沟道进一步变窄。只要漏极附近的耗尽区不出现相接,随着UDS 的增加,ID线性增加。UDSdsgAID 随着UDS增加,当UGD=UGS-UDS=UGS(off)时,靠近漏极出现夹断点。称UDSdsgAID 预夹断之后,UDS 再增加,预夹断延伸,夹断区长度增加(AA)。夹断区的阻力增大。此时的此时的ID称为称为“饱和漏极电饱和漏极电流流IDSS”A UGS 增加,使导电沟道
5、变窄,、间的正电压使沟道不等宽。dsgUDSUGSID。此时可以把。此时可以把ID近近似看成似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。dsgUDSUGSID(未出现夹断前),对于不(未出现夹断前),对于不同的同的UGS,漏源之间等效成不同阻值的电阻,漏源之间等效成不同阻值的电阻,ID随随UDS 的增加的增加 线性线性增加增加。(。()。ID几乎只决定于几乎只决定于UGS,而而与与UDS 无关,可以把无关,可以把ID近似看成近似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。()(输出特性和转移特性)ID=f(UDS)UGS =常数常数(因场效应管栅极电流几乎(因场效应管栅极电流几乎为零,不讨论输入特性。)
6、为零,不讨论输入特性。)IDUDS(预夹断轨迹:通过连接(预夹断轨迹:通过连接各曲线上各曲线上UGD=UGS(off)的的点而成。)点而成。)IDUDSIDUDS 导电沟道全部夹断。导电沟道全部夹断。条件:条件:UGS UGS(off)特点:特点:ID 0 UDS增加到一定程度,电流增加到一定程度,电流急剧增大。急剧增大。IDUDSID=f(uGS)UDS =常数常数 由半导体物理分析可得恒由半导体物理分析可得恒流区流区ID近似表达式为:近似表达式为:2)()1(offGSGSDSSDUuII30123 UGS/VUGS(off)ID/mA4IDSS12 (管子工作在可变电阻区(管子工作在可变
7、电阻区时,不同的时,不同的uDS,转移特性转移特性曲线有很大差别。)曲线有很大差别。)30123 UGS/VUGS(off)ID/mA4IDSS12432104812UGS=0V3V4V输出特性输出特性转移特性转移特性123 1V20123 uGS/VUGs(off)uDS/ViD/mAiD/mA44栅栅-源电压为零时无导电沟道的管子称为源电压为零时无导电沟道的管子称为增强型。增强型。栅栅-源电压为零时已建立导电沟道的管子称为源电压为零时已建立导电沟道的管子称为耗尽型。耗尽型。N沟道(沟道(N MOS)增强型增强型 耗尽型耗尽型 P沟道(沟道(P MOS)增强型增强型 耗尽型耗尽型 绝缘栅型场
8、效应管采用绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离,栅极为绝缘层隔离,栅极为金属铝,又称为金属铝,又称为MOS管。管。通常通常衬底和源极连接衬底和源极连接在一起使用。在一起使用。P型硅衬底型硅衬底源极源极S 栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+SiO2 栅极和衬底各相当于栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘一个极板,中间是绝缘层,形成电容。层,形成电容。栅栅-源电压改变时,将源电压改变时,将改变衬底靠近绝缘层处改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号P衬底衬底BN+N+S
9、GD D与与S之间是两个之间是两个PN结结反向串联,无论反向串联,无论D与与S之之间加什么极性的电压,间加什么极性的电压,ID=0。P耗尽层耗尽层衬底衬底BN+N+SGD 由于绝缘层由于绝缘层SiO2的存的存在,栅极电流为零。栅极在,栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷,金属层将聚集大量正电荷,排斥排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2的的空穴,形成耗尽层。空穴,形成耗尽层。P衬底衬底BN+N+SGD反型层反型层。耗尽层增宽耗尽层增宽,将衬底的自由将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成之间。形成N型薄层,称为型薄层,称为反型层。这个反型层就构成反型层。这个反型层
10、就构成了漏源之间的导电沟道。了漏源之间的导电沟道。UGS越大,反型层越厚,越大,反型层越厚,导电沟道电阻越小。导电沟道电阻越小。将产生一定的漏极将产生一定的漏极电流电流ID。沟道中各点沟道中各点对栅极电压不再相等,对栅极电压不再相等,导电沟道宽度不再相导电沟道宽度不再相等,沿源等,沿源-漏方向逐渐漏方向逐渐变窄。变窄。ID随着的随着的增加而线增加而线性增大。性增大。P衬底衬底BN+N+SGDP衬底衬底BN+N+SGD 随着随着UDS的增大,的增大,UGD减小,减小,当当UDS增大到增大到UGD 时时,导电沟道在漏极一端产生夹断,导电沟道在漏极一端产生夹断,称为称为。P衬底衬底BN+N+SGD
11、若若UDS继续增大,夹断区继续增大,夹断区延长。漏电流延长。漏电流ID几乎不变化,几乎不变化,管子进入恒流区。管子进入恒流区。ID几乎仅几乎仅仅决定于仅决定于UGS。此时可以把此时可以把。恒流区恒流区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS/VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/VID/mA夹断区夹断区2)()1(thGSGSDODUUIIUDS=10V0123246UGS/VUGs(th)ID/mA 制造时制造时,在在sio2绝缘层中掺入绝缘层中掺入大量的正离子大量的正离子,即使即使UGS
12、=0=0,在在正离子的作用下,源正离子的作用下,源-漏之间也漏之间也存在导电沟道。只要加正向存在导电沟道。只要加正向 ,就会产生就会产生ID。结构示意图结构示意图P源极源极S漏极漏极D 栅极栅极GBN+N+正离子正离子反型层反型层SiO2 只有当只有当小于某一值时,才会小于某一值时,才会使导电沟道消失,此时的使导电沟道消失,此时的称为称为夹断电压夹断电压 。dN沟道符号沟道符号BsgP沟道符号沟道符号dBsgDBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号耗尽型耗尽型MOS管管符号符号增强型增强型MOS管管符号符号432104812UGS=1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性123
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