场效应管及基本放大电路李林.ppt

第五章 场效应管及基本放大电路,MOS场效应管 结型场效应管 场效应管的主要参数和微变等效电路 场效应管基本放大电路,第一节,第二节,第三节,第四节,第一节 MOS场效应极管,场效应管：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。,1.根据载流子来划分： N沟道器件：电子作为载流子的。 P沟道器件：空穴作为载流子的。,2.根据结构来划分： 结型场效应管JFET： 绝缘栅型场效应管IGFET：,(一) 增强型MOSFET结构,N沟道增强型MOSFET 的结构如图： D为漏极，相当C； G为栅极，相当B； S为源极，相当E。,一、 N沟道增强型MOS场效应管的工作原理,绝缘栅型场效应管MOSFET分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,N沟道增强型 MOSFET结构示意图,栅压为零时 有沟道,栅压为零时 无沟道,P型硅作衬 底浓度较低 引出电极B,在P型衬底上生成 SiO2薄膜绝缘层 引出电极G极,用光刻工艺扩散两 个高掺杂的N型区， 从N型区引出电极： S极和D极,由于BS短接,G与衬底B间产生电场，电子被正极板吸引,空穴被排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。 耗尽层中的少子电子，将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍不能形成漏极电流ID。,1栅源电压UGS的控制作用,漏源之间相当两个背靠背的 二极管， 在D、S之间加上电压不会在D、S 间形成电流。即:ID=0,（二） 工作原理,(1).当UGS=0V时:,(2).0UGSUT时:,(3).当UGS=UT:( UT 称为开启电压),1.在UGS=0V时ID=0; 2.只有当UGSUT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,出现反型层,与N形成一体,形成导电沟道; 当UDS0时: D 沟道 S之间形成漏极电流。,(4).当UGS UT:( UT 称为开启电压),随着UGS的继续增加，沟道加厚，沟道电阻，ID将不断,（续）工作原理,(1).转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 (2).gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下：,图03.14 转移特性曲线,gm=ID/UGS UDS=const (单位mA/V),（三）特性曲线,UGS对ID的控制关系可用如下曲线描述，称为转移特性曲线,ID=f(UGS)UDS=const,1.转移特性曲线,如图：,(1).UGSUT时： 沟道未形成， ID =0管子处于截止状态,(2).UGSUT时： 沟道形成， ID 0,随UGS沟道加厚沟道电阻 ID,UDS正向减小，曲线右移，但UDS不同的曲线差别很小,在恒流区转移特性曲线中ID 与UDS的关系为：,ID =K(UGS -UT)2 ; 式中K为导电因子,ID =(UGS -UT)2n COXW/2L,短沟道时：ID =K(UGS -UT)2(1+ UDS),且UGS固定为某一很小值时： UDS与漏极电流ID之间呈线性关系。,图03.15(a) 漏源电压UDS对沟道的影响,(动画2-5),2输出特性曲线,此时有如下关系:,（1）可变电阻区UGSUT:,反映了漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用：,ID=f(UDS)UGS=const,ID =K(UGS -UT)2UDS,由上式可知: UGS一定恒流区内：,Ron = dUDS / dID|dUGS =0,Ron = L / n COXW (UGS -UT),1 . UGS恒定时近似为常数。 2 . Ron随UGS而变化，故称 可变电阻区。,图03.16 漏极输出特性曲线,当UDS = UGS -UT时: (由于的存在，导电沟道不均匀) 此时漏极端的导电沟道将开始消失（称预夹断）,(2) 恒流区：UDS = 0或较小时:(即UGDUT),当UGS一定时：ID随UDS基本不变， ID恒定称恒流区。,当UDS UGS -UT时: 随UDS夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电阻）所以新增UDS几乎全部降在耗尽层两端，ID不随UDS而变。,(3) 击穿区： 当UDS 增加到某一临界值时， ID （急剧）即D与衬底之间击穿。,漏源电压UDS对沟 道的影响,图03.16 漏极输出特性曲线,当UGSUT，且固定为某一值时: UDS对ID的影响的关系曲线称为漏极输出特性曲线。,UGS0时； 随着UGS的减小漏极电流逐渐减小， 直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断 电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，,(二)N沟道耗尽型MOSFET,当UGS=0时； 正离子已感应出反型层，在漏 源之间形成了沟道。只要有漏 源电压，就有漏极电流存在。,(a) 结构示意图,在栅极下方的SiO2 绝缘层中掺入了大 量的金属正离子。,当UGS0时； 将使ID进一步增加。,图03.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线,N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线:,如图所示,N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线:,图03.18N沟道耗尽型的输出特性曲线,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同。 区别是导电的载流子不同，供电电压极性不同。 同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,(三)P沟道耗尽型MOSFET,场效应管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道不同，以及增强型还是耗尽型,可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。 如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。 为便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。 有关曲线绘于下图之中。,2. 伏安特性曲线,图03.18 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,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,第二节 结型场效应三极管,JFET的结构与MOSFET相似， 工作机理也相同。如图: 在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹一个N型沟道的结构。 P区即为栅极; N型硅的一端是漏极; 另一端是源极。,图03.19 结型场效应三极管的结构,一.结型场效应三极管的结构:,栅极,漏极,源极,二.结型场效应三极管的工作原理,结型场效应管没有绝缘层，只能工作反偏的条件下。 N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区。 P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。 现以N沟道为例说明其工作原理。,栅源电压对沟道的控制作用,4.当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP、这一过程如图02.20所示。,1. 当UGS=0时: 耗尽层、沟道宽，沟道电阻小，N区电子随UDS ，产生 ID并。,2.当UGS0时（即负压）时: PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。,3.当UGS继续减小（即负压 ）： 沟道继续变窄，并在极附近耗尽层相遇，称预夹断，ID继续减小直至为0。,图02.21 漏源电压对沟道的控制作用,漏源电压对沟道的控制作用,当UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)时； 在紧靠漏极处出现预夹断，所示。 当UDS继续增加； 漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。 以上过程与绝缘栅场效应管十分相似，见图03.15。,当UGSUGS(off)； 若漏源电压UDS从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随 之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从 左至右呈楔形分布，所示。,(三)结型场效应三极管的特性曲线,它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正可负， 而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。,JFET的特性曲线有两条：,转移特性曲线：,输出特性：,场效应管,1. 分类,按导电沟道分,N 沟道,P 沟道,按结构分,绝缘栅型 (MOS),结型,按特性分,增强型,耗尽型,uGS = 0 时， iD = 0,uGS = 0 时， iD 0,增强型,耗尽型,(耗尽型),2. 特点,栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流,输入电阻高，工艺简单，易集成,由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和 输出特性描述,3. 特性,不同类型 FET 的特性比较参见 表5-2 第 16 4页,不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,(耗尽型),IDSS,开启电压 UGS(th),夹断电压UGS(off),IDO 是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,第三节 场效应管的主要参数和微变等效电路,一 场效应管的直流参数 二 场效应管的微变参数 三 场效应管的型号 四 场效应管的微变等效电路,开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电的绝对值,场效应管不能导通(即IG =0)。,夹断电压是耗尽型FET的参数，当漏极电流为零时, UGS=U P,耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,一 场效应三极管的直流参数,开启电压 UT,夹断电压UP,饱和漏极电流IDSS,场效应管栅源输入电阻RGS： 栅源间加固定电压UGS栅极电流IGS之比，输入电阻的典型值: 结型场效应管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应管RGS约是1091015。,漏源、栅源击穿电压BUDS 、 B UGS,低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移 特性曲线上求取，单位是mA/V或mS(毫西门子)。,二 场效应管的微变参数,(1).图解法求解：在曲线上作切线，其斜率为gm,(2).解析法求解：,增强型MOSFET: gm =1/ Ron,耗尽型MOSFET: gm =-(1- UGS / Up )2 IDSS/ Up,衬底跨导gmb,漏极电阻rdS ：可在输出特性曲线上求解,导通电阻Ron：,极间电容: 包括CgS 、 Cgd、 Cgb 、 Csd 、 Csb 、 Cdb。,在恒流区：,下表列出了MOS管参数,表3-2 常用场效应三极管的参数,三 场效应管的微变等效电路,1.低频等效电路：,FET低频微变等效电路（ dUBS=0）,2.高频等效电路：,FET高频微变等效电路（ dUBS=0）,双极型和场效应型三极管的比较,双极型和场效应型三极管的比较(续),第四节 场效应管的基本放大电路,一 场效应管的偏置电路 二 外加偏置电路 三 三种基本放大电路 四 三种接法基本放大电路的比较,一 场效应管的偏置电路,（一）自给偏置电路：,(1). UGS = 0时： IS = ID,RS两端电压为： US = IS RS,(2). 由于 IG=0; UG =0: UGS = -IS RS = -ID RS,由此构成支流偏压，所以称为自给偏压式。,1.基本型自给偏置电路：,基本型自给偏置电路,2.改进型自给偏置电路：,(1). 由R1 = R2分压，给RG一个固定偏压。 RG很大以减小对输入电阻的影响。,(2).对于耗尽型FET： UGS = EDR2 /(R1 + R2) -ID RS,此时： RS大Q点不会低。,改进型自给偏置电路,ID= IDSS1(UGS /Up)2,（二）外加偏置电路：,外加偏置电路,对于增强型MOSFET: UGS = 0时： ID =0,(1). 此时靠外加偏压： UGS = EDRL /(R1 + R2),(2). 改进型外加偏压：,UGS = EDRL /(R1 + R2) -ID RS,对于JFET,须保证|US | |US|时，放大器具有正确的偏压。,耗尽型以自给偏压为主,二 三种基本放大电路,结型共源放大器电路,电压增益为:,1.未接CS时:等效电路如图:,一般 rds RD RL RS; rds可忽略.,（一） 共源组态基本放大器,放大器的输入电阻为:,放大器的输出电阻为:,ri=RG+(R1/ R2) RG,ro RD,2 . 接入CS时:,AU - gm RD,ri=RG+(R1/ R2) RG,ro =RD / rds RD,结型共漏放大器电路,电压增益为:,其等效电路如图:,（二） 共漏组态基本放大器,共漏放大器电路如图:,ri= RG,输入电阻为:,式中: Rs=rds/Rs / RL Rs / RL 1,求输入电阻:,1.画等效电路：令Ui=0、 RL开路；在输出端加测试电压Uot,2.求输入电阻:,Ugs= - Uot ;,Iot= Uot (1/ Rs + gm),根据输出电阻的定义：,ro = Uot / Iot = Rs / （1/ gm ）,（三） 共栅组态基本放大器,其等效电路如图:,共栅放大器电路如图:,3-24. 共栅放大器典型电路,电压增益为:,式中:RD=RD / RL,3-22.共栅放大器等效电路(电流源),3-22.共栅放大器等效电路(电压源),ri= Rs / ri,输入电阻为:,3-22.共栅放大器等效电路(电压源),ri,ri= Ui / Id1/ gm,当rds RD , gm rds 1时：,所以： ri Rs / （1/ gm）,输出电阻为:,ro RD / rds RD,ro,表3-3 FET 三种组态性能比较,一 共源组态基本放大电路,场效应管共源基本放大电路，可与共射组态的晶体管放大电路相对应。 区别是场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。,图 03.28结型共源组态接法基本放大电路,(1)直流分析,共源基本放大电路的直流通道画出,如图03.29所示。,03.29 共源基本放大 电路的直流通道,则JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。,图中R1、R2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。,与共射基本放大电路的Rb1、 Rb2，Re和Rc分别一一对应。,结型场效应管栅源PN结是反偏工作，无栅流。,UG=UDDR2/(R1+R2) UGS= UGUS= UGIDR ID= IDSS1(UGS /Up)2 UDS= UDDID(Rd+R),03.29 共源基本放大 电路的直流通道,根据图03.29可写出下列方程：,于是可以解出UGS、ID和UDS。,二 共漏组态基本放大电路,图 03.32 共漏组态放大电路 03.33 直流通道,其直流工作状态和动态分析如下。,共漏组态基本放大电路的直流通道画于图3.33， 于是有： UG=UDDRg2/(Rg1+Rg2) UGS= UGUS= UGIDR ID= IDSS1(UGS /Up)2 UDS= UDDIDR,(1)直流分析,三 共栅组态基本放大电路,(1)直流分析 与共源组态放大电路相同。,图 03.36共栅组态放大电路,图 03.36共栅组态放大电路,共栅组态放大电路,回顾： 场效应晶体管知识,场效应管与晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,MOS绝缘栅场效应管（N沟道）,（1） 结构,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,金属铝,N导电沟道,N沟道增强型,（2）符号,N沟道耗尽型,栅极,漏极,源极,N沟道MOS管的特性曲线,NMOS场效应管转移特性,UGS=3V,UGS=4V,UGS=5V,开启电压UGS（th）=1V,增强型NMOS场效应管 输出特性曲线,增强型NMOS场效应管转移特性,耗尽型NMOS场效应管 输出特性曲线,UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夹断电压UP=-2V,耗尽型NMOS场效应管转移特性,跨导gm,= ID / UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,夹断区,可变电阻区,恒流区,场效应管的微变等效电路,输入回路：开路 输出回路：交流压控恒流源，电流,5.2 场效应管共源极放大电路,11.6.1 电路的组成原则及分析方法,(1).静态：