模电第五章场效应管课件.ppt
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- 第五 场效应 课件
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1、定义:定义:场效应管是一种利用半导体内的场效应管是一种利用半导体内的电场效应电场效应来来控制其电流大小的半导体器件。控制其电流大小的半导体器件。分类:分类:场效应管场效应管(FET)结结 型型(JFETJFET)绝缘栅型绝缘栅型(MOSFETMOSFET)P P沟道沟道JFETJFETN N沟道沟道JFETJFETN N沟道沟道MOSFETMOSFETP P沟道沟道MOSFETMOSFET耗尽型耗尽型D D耗尽型耗尽型D D增强型增强型E E(耗尽型耗尽型)耗尽型耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型增强型:场效应管没有加偏置电压时
2、,没有导电沟道:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道增强型增强型E E1 1、结构和符号、结构和符号 P 型衬底型衬底N+N+sgdB (1)、)、VGS=0,没有导电没有导电 沟道沟道源区、衬底和源区、衬底和漏区形成两个漏区形成两个背靠背的背靠背的PN结,结,无论无论VDS的极性的极性如何,其中总如何,其中总有一个有一个PN结是结是反偏的。因此反偏的。因此漏源之间的电漏源之间的电阻很大,即阻很大,即iD DiD 0 (2)、)、VDS=0,VGS 对导电对导电 沟道的影响沟道的影响在漏源电在漏源电压作用下压作用下开始导电开始导电时的栅源时的栅源电压电压PNNsgdBPNNsgdBPNNsg
3、dB(3)、)、VGS一定,一定,VDS 对导电对导电 沟道的影响沟道的影响由左到右,由左到右,逐渐增大逐渐增大,DSGSGDvvviD=f(VDS)|VGS=常数常数恒流区恒流区可变电可变电 阻区阻区击击穿穿区区VGS=VT iD=f(VDS)|VGS=常数常数恒流区恒流区可变电可变电 阻区阻区击击穿穿区区VGS=VT 1、截止区:、截止区:VGS 2、可变电阻区:、可变电阻区:VDS(VGS )iD的表达式见的表达式见5.1.24式式TGSncvDDSdsoVvKdidvrGS21222211TGSDOTGSTnTGSnDVvIVvVKVvKi3、饱和区:、饱和区:VGS 且且VDS(VG
4、S )时,)时,区内区内V-I特性表达式为特性表达式为iD=f(vGS)|vDS=常数常数在饱和区内,在饱和区内,iD受受VDS影响很影响很小,不同小,不同VDS下的转移特性下的转移特性基本重合。基本重合。222211TGSDOTGSTnTGSnDVvIVvVKVvKi2TnDOVKI其中其中它是它是 时的时的iD。TGSVv2在饱和区内有:在饱和区内有:iD=f(vGS)|vDS=常数常数可以由函数式画出,也可以可以由函数式画出,也可以直接从输出特性曲线上用作图法求出。直接从输出特性曲线上用作图法求出。恒流区恒流区可变电可变电 阻区阻区击击穿穿区区1、结构和符号、结构和符号P 型衬底型衬底N
5、+N+sgdB1、结构、结构P 型衬底型衬底N+N+sgdB21PGSDSSDVvIi在饱和区内,在饱和区内,2、特性曲线、特性曲线21PGSDSSDVvIi在饱和在饱和区内,区内,/VIDSS为零栅压的为零栅压的漏极电流,称为漏极电流,称为饱和漏极电流。饱和漏极电流。1 1、结构和符号、结构和符号 N 型衬底型衬底P+P+sgdB对增强型对增强型MOS管,沟道产生的条件是:管,沟道产生的条件是:TGSVv可变电阻区与饱和区的界线为可变电阻区与饱和区的界线为:TGSDSVvv在饱和区内(在饱和区内(iD假定正向为流入漏极):假定正向为流入漏极):221TGSDOTGSPDVvIVvKiPMOS
6、管正常工作时,管正常工作时,VDS和和 VT必为负值,电必为负值,电流方向与流方向与NMOS管相反。管相反。5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应在理想情况下,当在理想情况下,当MOSFET工作于饱和区时,工作于饱和区时,漏极电流与漏极电压无关。而实际漏极电流与漏极电压无关。而实际MOS管的管的输出特性还应考虑沟道长度调制效应,即输出特性还应考虑沟道长度调制效应,即VGS固定,固定,VDS增加时,增加时,iD会有所增加。输出特性会有所增加。输出特性的每根曲线会向上倾斜。因此,考虑到沟道长的每根曲线会向上倾斜。因此,考虑到沟道长度调制参数度调制参数,iD式子应修正为式子应修正为 DSTGS
7、DODSTGSnDvVvIvVvKi11122对于典型器件近似有对于典型器件近似有11.0VL沟道长度沟道长度L单位为单位为m。(1)开启电压)开启电压 VT:VDS为某一定值(如为为某一定值(如为10V)使)使iD等于一等于一微小电流(如微小电流(如50A)时的)时的VGS。这是增强型。这是增强型FET的参数。的参数。(2)夹断电压)夹断电压 VP:VDS为某一定值(如为为某一定值(如为10V)使)使iD等于一微等于一微小电流(如小电流(如20A)时的)时的VGS。这是耗尽型。这是耗尽型FET的参数。的参数。(3)饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS:VGS=0且且 VDS VP 时时对应的漏
8、极电流。常令对应的漏极电流。常令 VDS 10V,VGS=0测出的测出的iD就是就是。这。这是耗尽型是耗尽型FET的参数。的参数。(4)直流输入电阻)直流输入电阻RGD:漏源间短路,栅源间加一定电压时漏源间短路,栅源间加一定电压时的栅源直流电阻,的栅源直流电阻,MOS管的管的RGS可达可达109 1015。一、直流参数一、直流参数二、交流参数二、交流参数(1)输出电阻)输出电阻:GSDDSdsVivr5.1.5 MOSFET的主要参数(见的主要参数(见P208210)当不考虑沟道的调制效应(当不考虑沟道的调制效应(0)时,)时,当考虑沟道的调制效应(当考虑沟道的调制效应(0)时,对增强型)时,
9、对增强型MOS管可导出管可导出.dsrDTGSndsiVvKr112因此,因此,是一个有限值,一般在几十千欧到是一个有限值,一般在几十千欧到几百千欧之间。几百千欧之间。dsr(2)低频跨导)低频跨导gm:低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得,单位是可以在转移特性曲线上求得,单位是mS(毫西门子毫西门子)。对。对N沟道沟道增强型增强型MOSFET管,可利用管,可利用5.1.6和和5.1.17式近似估算式近似估算TGSnVTGSnVVvKvVvKvig2DSDSGS2GSDm考虑到考虑到 和和2TGSnDVvKi2TnDOVKITGSnVT
10、GSnVVvKvVvKvig2DSDSGS2GSDm上式又可改写为上式又可改写为DDOTDnmiIViKg22上式表明,上式表明,iD越大,越大,gm愈大。愈大。三、极限参数三、极限参数(1)最大漏极电流)最大漏极电流IDM(2)最大漏源电压)最大漏源电压V(BR)DS(3)最大栅源电压)最大栅源电压VGS(BR)(4)最大耗散功率)最大耗散功率PDM表表5.1.1还列出了另外的几个主要参数。还列出了另外的几个主要参数。直流通路直流通路DDgggGSVRRRV212假设管的开启电压假设管的开启电压为为VT,NMOS管工管工作于饱和区,则作于饱和区,则dDDDDSTGSnDRIVVVVKI2见例
11、见例5.2.1综上分析,对于综上分析,对于N沟道增强型沟道增强型MOS管管的直流计算,可采取如下步骤:的直流计算,可采取如下步骤:设设MOS管工作于饱和区,则有管工作于饱和区,则有 VGSQ IDQ 且且VDSQ(VGSQ ).利用饱和区的电流电压关系曲线分析电路。利用饱和区的电流电压关系曲线分析电路。如果出现如果出现VGSQ,则,则MOS管可能截止,管可能截止,如果如果VDSQ(VGSQ ),则,则MOS管可能工作管可能工作在可变电阻区。在可变电阻区。如果初始假设被证明是错误的,则必需如果初始假设被证明是错误的,则必需作出新的假设,同时重新分析电路。作出新的假设,同时重新分析电路。P沟道沟道
12、MOS管电路的分析与管电路的分析与N沟道类似,但沟道类似,但要注意其电源极性与电流方向不同。要注意其电源极性与电流方向不同。由图得由图得SSDSSSSDDgggSGGSVRIVVVRRRVVV212当当NMOS管工作于饱和区,则有管工作于饱和区,则有RRIVVVVVKIdDSSDDDSTGSnD2RS见例见例5.2.2和例和例5.2.3图图5.2.3例例5.2.3如图已知如图已知NMOS管参管参数:数:VT=1V,Kn=160A/V2,VT=1V,Kn=160A/V2,VDD=VSS=5V,IDQ=0.25mA,VDQ=2.5V,试试求电路参数。求电路参数。解:首先假设管工作于饱和解:首先假设
13、管工作于饱和区,运用区,运用下式下式2TGSQnDQVVKI求得求得VVGSQ25.2VVS25.2则则计算计算kIVVRDQDQDDd1025.05.25计算是否满足饱和条件:计算是否满足饱和条件:TGSQDSQVVV确定分析正确与否。确定分析正确与否。)(SDDQDDDSQRRIVUSDQDDGSQRIVRRRU 2122)1(TGSQDODQUUII2、图解分析、图解分析与与BJT放大电路的图解分析类似。先求放大电路的图解分析类似。先求VGS,然后作直流负载线,其与输出特,然后作直流负载线,其与输出特性性VGS曲线的交点即为静态工作点。然曲线的交点即为静态工作点。然后作交流负载线,即可分
14、析其动态情后作交流负载线,即可分析其动态情形。教材上的电路是特例,形。教材上的电路是特例,VGS已知,已知,直流负载线与交流负载线相同。直流负载线与交流负载线相同。图图5.2.4如果输入信号很小,场效应管工作在饱和区时,如果输入信号很小,场效应管工作在饱和区时,和和BJT一样,将场效应管也看作一个双口网络,一样,将场效应管也看作一个双口网络,对对N沟道增强型场效应管,可近似看成沟道增强型场效应管,可近似看成iD不随不随VDS变化,则由变化,则由5.1.6式得式得222222gsngsTGSQnTGSQngsTGSQnTgsGSQnTGSnDvKvVVKVVKvVVKVvVKVvKi式中第一项为
15、直流或静态工作点电流式中第一项为直流或静态工作点电流IDQ;第二项是漏极信号电流第二项是漏极信号电流id,它同,它同vgs是线性关系;是线性关系;根据根据5.1.18式,式,gsmgsTGSQndvgvVVKi 2第三项当第三项当vgs是正弦波时,输出电压将产生是正弦波时,输出电压将产生谐波或非线性失真。我们要求第三项必需谐波或非线性失真。我们要求第三项必需远小于第二项,即远小于第二项,即TGSQgsVVv2这也就是线性放大器必需满足的小信号条件。这也就是线性放大器必需满足的小信号条件。据此,忽略第三项可得据此,忽略第三项可得dDQgsmDQgsTGSQnTGSQnDiIvgIvVVKVVKi
16、22考虑到考虑到NMOS管的栅流为管的栅流为0,栅源间的电阻很大,栅源间的电阻很大,可看成开路,而可看成开路,而 因此可得因此可得NMOS管的低频小信号模型:管的低频小信号模型:gsmdvgi考虑考虑0场效应管场效应管的输出电阻的输出电阻rds为有为有限值时,其低频模限值时,其低频模型如右模型型如右模型brdss在在Vbs=0时,可得高频时,可得高频小信号模型如下,图中小信号模型如下,图中rgs可看作无限大,可可看作无限大,可忽略。忽略。rgsrdsCgdCgsCdsCgs+CgbgsV对于后面介绍的结型场效应管,其低对于后面介绍的结型场效应管,其低频和高频小信号模型分别对应于如上频和高频小信
17、号模型分别对应于如上的低频模型图的低频模型图b和高频模型。具体应用和高频模型。具体应用见例见例5.2.4-5.2.6例例5.2.5RS图图5.2.2999.51079.35/67.6121siivvsdOggimdmiovRRRAAkRRkRRRRgRgvvA例例5.2.65.3 结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 dgsdgsJFET是利用半导体内的电场效是利用半导体内的电场效应进行工作的,也称为体内场效应进行工作
18、的,也称为体内场效应器件。应器件。源极源极,用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极,用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极,用用G或或g表示表示栅极栅极,用用G或或g表示表示符号符号符号符号5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理4.1 结型结型场效应管场效应管1.结构结构 (1)(1)、v vDSDS=0=0,v vGSGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响vGSNP+P+dsgvGS=0VGGP+P+dsgvGS 00,v vGSGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响NdsgVDDdsVDDdNsVDDVDDdsA(a)(b)(c)(d)PDSGSGDVv
19、vvA点处:点处:上述分析表明,增加上述分析表明,增加v vDSDS,楔形导电沟道又,楔形导电沟道又阻碍漏极电流阻碍漏极电流iD D的提高,但在的提高,但在v vDSDS较小时,较小时,导电沟道靠近漏端区域仍较宽,这时阻碍导电沟道靠近漏端区域仍较宽,这时阻碍的因素是次要的,故的因素是次要的,故iD D随随v vDSDS升高几乎成比升高几乎成比例地增大,构成输出特性曲线的上升段。例地增大,构成输出特性曲线的上升段。当当v vDSDS增加到两耗尽层在增加到两耗尽层在A点相遇时,称点相遇时,称为为预夹断,此时预夹断,此时A点耗尽层两边的电位点耗尽层两边的电位差差v vGDGD用夹断电压用夹断电压V
20、VP P来描述。在来描述。在预夹断预夹断点点A处,有如下关系:处,有如下关系:PDSGSGDVvvv当当 时,有时,有0GSvPDSGDVvv沟道一旦在沟道一旦在A点预夹断后,随着点预夹断后,随着v vDSDS升高升高,夹断夹断长度会增加,亦即长度会增加,亦即A点将向源极方向延伸。点将向源极方向延伸。但从源极到夹断处的沟道上,沟道内电场基但从源极到夹断处的沟道上,沟道内电场基本不随本不随v vDSDS改变而变化,所以,改变而变化,所以,iD D不随不随v vDSDS升高升高而上升,漏极电流趋于饱和。而上升,漏极电流趋于饱和。如果栅源间接一可调负电源,由于栅源电如果栅源间接一可调负电源,由于栅源
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