北邮模电第3章场效应晶体管及其放大电路课件.ppt
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- 北邮模电第 场效应 晶体管 及其 放大 电路 课件
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1、第三章:场效应晶体管及其放第三章:场效应晶体管及其放大电路大电路 邓邓 钢钢GG内容提要场效应晶体管利用输入电压在管场效应晶体管利用输入电压在管内形成的电场影响导电沟道的形内形成的电场影响导电沟道的形状,进而控制输出电流状,进而控制输出电流场效应管的特点:场效应管的特点:输入阻抗高输入阻抗高抗辐射能力强抗辐射能力强热稳定性好热稳定性好重点介绍场效应管的结构、工作重点介绍场效应管的结构、工作原理及其应用电路原理及其应用电路三极管的工作原理三极管的工作原理ReviewReviewN N沟道增强型场效应管的结构沟道增强型场效应管的结构衬底上的箭衬底上的箭头代表头代表PNPN结结的正向方向的正向方向M
2、OSMOS管的命管的命名原因名原因沟道的含沟道的含义义N N沟道增强型场效应管的基本工作原理沟道增强型场效应管的基本工作原理(一一)(0)BSv栅源电压栅源电压 对管工作的影响对管工作的影响GSv0DSv设设0GSv时时管子截止管子截止0GSv时时()GSGS thvV时时反型层形成,反型层形成,出现导电沟出现导电沟道道()GS ththVV :开启电压开启电压N N沟道增强型场效应管的基本工作原理沟道增强型场效应管的基本工作原理(二二)(0)BSv漏源电压漏源电压 对管工作的影响对管工作的影响DSv()GSGS thvV设设0DSv时时导电沟道变为导电沟道变为楔形楔形DSGSthvvV时时出
3、现预夹断出现预夹断DSGSthvvV时时沟道被夹断沟道被夹断N N沟道增强型场效应管的基本工作原理沟道增强型场效应管的基本工作原理(三三)栅源电压起着建栅源电压起着建立导电沟道和控制立导电沟道和控制沟道形状的作用沟道形状的作用由于沟道电流仅由由于沟道电流仅由多子流构成,故也多子流构成,故也称场效应管为单极称场效应管为单极型晶体管。特点:型晶体管。特点:漏源电压产生输漏源电压产生输出电流并改变沟道出电流并改变沟道形状形状温度稳定性能好温度稳定性能好抗辐射能力强抗辐射能力强增强型的含义增强型的含义N N沟道增强型场效应管的输出特性曲线沟道增强型场效应管的输出特性曲线(一一)由于栅极与源极和由于栅极
4、与源极和漏极之间有绝缘层漏极之间有绝缘层隔开,故栅极输入隔开,故栅极输入电流极小电流极小 ,输,输入电阻极高,可以入电阻极高,可以达到达到 以上以上0Gi 910 因此,常用的特性因此,常用的特性曲线为曲线为输出特性曲输出特性曲线线和和转移特性曲线转移特性曲线N N沟道增强型场效应管的输出特性曲线沟道增强型场效应管的输出特性曲线(二二)可可变变电电阻阻区区饱饱和和区区击击穿穿区区截止区截止区截止区:截止区:()GSGS thvV可变电阻区:可变电阻区:()GSGS thvV()()DSGSGS thvvV饱和饱和(恒流恒流)区:区:()GSGS thvV()()DSGSGS thvvV2()(
5、)2pDGSGS thkWivVL厄尔利电压厄尔利电压AV沟道长度调制效应沟道长度调制效应击穿区:击穿区:()DSBR DSvV放放大大区区预夹断点预夹断点无沟道无沟道沟道未夹断沟道未夹断沟道已夹断沟道已夹断N N沟道增强型场效应管的转移特性曲线沟道增强型场效应管的转移特性曲线(一一)()|DSDGSvif v常数转移特性曲线表示漏转移特性曲线表示漏源电压一定时,漏极源电压一定时,漏极电流与栅源电压之间电流与栅源电压之间的关系曲线的关系曲线可由输出曲线求得可由输出曲线求得转移跨导:转移跨导:0DSDmGSvigvN N沟道增强型场效应管的转移特性曲线沟道增强型场效应管的转移特性曲线(二二)2D
6、QmGSQthIgVV在相同工作点电流在相同工作点电流情况下,情况下,MOSMOS管跨导管跨导的数值通常会比双的数值通常会比双极型管的小,可能极型管的小,可能小小1212个数量级个数量级跨导也可以由转移跨导也可以由转移特性曲线图解确定特性曲线图解确定MOSMOS场效应管的击穿场效应管的击穿饱和区内,过大的饱和区内,过大的漏源电压所产生的漏源电压所产生的击穿与输出特性曲击穿与输出特性曲线上的击穿区对应线上的击穿区对应漏源电压过大时,漏源电压过大时,会导致漏区与衬底会导致漏区与衬底间的间的PNPN结出现反向结出现反向击穿击穿饱和区内可能会出饱和区内可能会出现贯通击穿现贯通击穿当栅源电压过大时,当栅
7、源电压过大时,可能会导致绝缘层可能会导致绝缘层被击穿被击穿MOSMOS场效应管衬底调制效应场效应管衬底调制效应(一一)在在MOSMOS管工作时,管工作时,漏区、源区、导电漏区、源区、导电沟道与衬底之间的沟道与衬底之间的PNPN结不应出现正向结不应出现正向导通情况,否则管导通情况,否则管不能正常工作不能正常工作这就要求这就要求N N沟道型沟道型管的衬源极间电压管的衬源极间电压应满足应满足 ,P P沟道型管应沟道型管应0BSv0BSvMOSMOS场效应管衬底调制效应场效应管衬底调制效应(二二)分立元件中,衬底分立元件中,衬底B B一般与源极一般与源极S S相连。相连。在集成电路中,由在集成电路中,
8、由于所有元件为同一于所有元件为同一衬底,为保证所有衬底,为保证所有元件的沟道与衬底元件的沟道与衬底间的隔离,导电沟间的隔离,导电沟道与衬底之间所形道与衬底之间所形成的成的PNPN结必须反偏,结必须反偏,也即也即N N沟道沟道MOSMOS管管的的 。所以,。所以,开启电压和转移特开启电压和转移特性曲线右移性曲线右移0BSv背栅跨导背栅跨导P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管(一一)P P沟道管的结构和原理与沟道管的结构和原理与N N沟道管类沟道管类似似但应注意沟道极性的区别及由此带但应注意沟道极性的区别及由此带来的电流、电压方向的变化来的电流、电压方向的变化P P沟道增强型沟道
9、增强型MOSMOS场效应管场效应管(二二)应注意特性曲应注意特性曲线图中电流、线图中电流、电压的方向电压的方向耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管(一一)耗尽型耗尽型MOSMOS管在栅源零偏时即已管在栅源零偏时即已存在导电沟道存在导电沟道注意其符号与增强型的区别注意其符号与增强型的区别耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管(二二)(0)GSif v()()GSGS offif vV:截止电压:截止电压或阈值电压或阈值电压()GS offV(0)DSif v也会产生预夹断也会产生预夹断和漏极电流饱和和漏极电流饱和的情况的情况0GSv0DSv 时已有导电时已有导电沟道,故沟道,故 时即时即有
10、漏极电流产生有漏极电流产生(0)GSif v耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管(三三)可可变变电电阻阻区区饱饱和和区区击击穿穿区区截止区截止区截止区:截止区:()GSGS offvV可变电阻区:可变电阻区:()GSGS offvV()0()DSGSGS offvvV饱和饱和(恒流恒流)区:区:()GSGS offvV()()DSGSGS offvvV2()()2pDGSGS thkWivVL击穿区击穿区耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管(四四)21GSDDSSoffviIV2()()2pDGSGS thkWivVL0GSDSGSoffvDSSDvvVIiP P沟道型管的特性可与之类
11、比沟道型管的特性可与之类比2DQmGSQoffIgVVMOSMOS管类型总结管类型总结MOSMOS管管N N沟道沟道MOSMOS管管P P沟道沟道MOSMOS管管N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管MOSMOS管的结构管的结构注意注意N N沟道与沟道与P P沟沟道的区别道的区别注意增强注意增强型与耗尽型与耗尽型的区别型的区别结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管结型场效应管(JFET(JFET:Junction Field Junction Field
12、Effect Transistor)Effect Transistor)根据沟道类型不同亦可分类根据沟道类型不同亦可分类结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理(一一)结型场效应管存在着结型场效应管存在着内建初始导电沟道,内建初始导电沟道,这一点与耗尽型管类这一点与耗尽型管类似似结型场效应管应用时结型场效应管应用时的输入电阻很大,可的输入电阻很大,可达达 以上以上710 结型场效应管也是通结型场效应管也是通过控制导电沟道的形过控制导电沟道的形态改变输出电流态改变输出电流结型场效应管输入信结型场效应管输入信号及输出电流、电压号及输出电流、电压的选择与的选择与MOSMOS管类似管类似结
13、型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理(二二)栅源电压栅源电压 对管工作的影响对管工作的影响GSv0GSv时时耗尽层增厚,导耗尽层增厚,导电沟道变薄,沟电沟道变薄,沟道电阻增大道电阻增大0DSv设设()GSGS offvV时时沟道全夹断,漏沟道全夹断,漏极电流为零极电流为零()GS offoffVV :夹断电压夹断电压结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理(三三)漏源电压漏源电压 对管工作的影响对管工作的影响DSv0DSv时时导电沟道变为楔导电沟道变为楔型型()DSGSGS offvvV时时DSv 继续增大时继续增大时沟道预夹断,此沟道预夹断,此时的漏极电流为时的漏极
14、电流为饱和电流饱和电流DSSI(,0GSoffvV设设此时对应于输出此时对应于输出特性曲线饱和区特性曲线饱和区结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线恒恒流流区区击击穿穿区区可可变变电电阻阻区区夹断电压夹断电压饱和漏极电流饱和漏极电流大功率管的作用大功率管的作用大功率管:最大允许工作电流大功率管:最大允许工作电流 、击、击穿电压穿电压 、最大耗散功率、最大耗散功率 的数的数值均较大值均较大DMI()BR DSVDMP横向结构场效应管的漏源击穿电压和横向结构场效应管的漏源击穿电压和最大耗散功率、最大容许工作电流不最大耗散功率、最大容许工作电流不能同时增大能同时增大VDMOSVDMOS型场效应
15、管型场效应管VDMOSVDMOS的结的结构说明构说明VDMOSVDMOS中沟中沟道的产生道的产生VDMOSVDMOS中的中的三极三极管及管及器件器件符号符号IGBTIGBT型管型管请自行参阅课本请自行参阅课本MOSMOS场效应管的瞬态模型场效应管的瞬态模型MOSMOS场效应管的微变信号模型场效应管的微变信号模型结型场效应管的微变信号模型结型场效应管的微变信号模型场效应管放大电路的要点场效应管放大电路的要点分析方法与三极管放大电路相同,分析方法与三极管放大电路相同,仍然是先静态后动态,既可以使用图仍然是先静态后动态,既可以使用图解法又可以使用等效电路法解法又可以使用等效电路法注意偏置电路的设置(
16、对于不同的注意偏置电路的设置(对于不同的场效应管来说有不同的设置需求)场效应管来说有不同的设置需求)由于栅极电流为零,因此在等效模由于栅极电流为零,因此在等效模型中的栅极为悬空。受控电流源所反型中的栅极为悬空。受控电流源所反映的为栅源电压对漏极电流的控制作映的为栅源电压对漏极电流的控制作用用跨导一般较小,从而使得场效应管跨导一般较小,从而使得场效应管放大电路的具体参数与三极管放大电放大电路的具体参数与三极管放大电路相比有一些不同之处路相比有一些不同之处偏置变量的相关回顾偏置变量的相关回顾所谓偏置,就是给器件加一定的电压所谓偏置,就是给器件加一定的电压(或电流或电流),使其工作点偏离原点,以便器
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