场效应管及其基本放大电路.ppt

第3章 场效应管及其基本放大电路 3.1结形场效应管 3.2砷化镓金属-半导体场效应管 3.3金属-氧化物-半导体场效应管 3.4场效应管放大电路 3.5各种放大器件电路性能比较 3.1 场效应晶体管(FET） 分类和结构： 结型场效应晶体管JFET 绝缘栅型场效应晶体管IGFET N P PN结耗尽层 P N 沟 道 G门极 D漏极 S源极 P 衬底 NN 源极 门极 漏极 S G D JFET结构 IGFET结构 N 沟 道 3.1结型场效应晶体管JFET 1) P 沟道和N沟道结构及电路符号 N 沟 道 G门极 D漏极 S源极 g d s N沟道结构及电路符号 P 沟 道 G门极 D漏极 S源极 g d s P沟道结构及电路符号 2)工作等效（以P沟道为例） Ugs Is Id 1）PN结不加反 向电压（Ugs)或 加的电压不足以 使沟道闭合时。 沟道导通，电阻 很小，并且阻值 随沟道的截面积 减少而增大。称 可变电阻区 ； ID=UDs / RDs RDS P NN G ID IS=ID PN 结 PN 结 + + - UGS增大耗尽层加 厚。 UGS=0：ID=IDSS 电路图 等效图 2）恒流工作（电压控制电流源） G ID + RD VDD D S PN结加反向电压（Ugs) 使沟道 微闭合时电流ID与UDS无关， 称恒流区。 ID=IDSS（1 - ）2 ugs vP P NN G ID IS=ID PN 结 PN 结 + + - 耗尽层闭 合时 UGS=VP RD VDD UGS 电路图 等效图 3）截止工作 P NN G ID=0 IS=ID PN 结 PN 结 + + - RD VDD UGS 耗尽层完全闭合， 沟道夹断，电子过 不去 栅极电压UGS大于等 夹断电压UP时，ID=0 相当一个很大的电阻 3)、JFET的主要参数 1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS 2）饱和漏极电流IDSS; VGS=0，时的ID uds id vgs=常数 vgs id Uds=常数uGS id 5)极限参数： V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。 PDM 最大漏极允许功耗 ，与三极管类似。 3)、 电压控制电流系数gm= 4）交流输出电阻 rds= 4）特性曲线： 与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线 。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为 例： 0 ugs (v) -4 -3 -2 -1 id mA 5 4 3 2 1 VP IDSS N型JFET的转移曲线 UDS 可变电阻区 截止区 IB0 UDS=UGS-VP N型JFET的输出特性曲线 -4V -2.0V -1V UGS=0V ma （V） ID 放 大 区 0 击 穿 区 Sect 3.3 MOSFET 增强型MOSFET 耗尽型MOSFET N沟道增强型MOS场效应管结构 3.3.1增强型MOS场效应管 漏极D集电极C 源极S 发射极E 栅极G基极B 衬底B 电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管 Sect 当UGS较小时，虽然在P型衬底 表面形成一层耗尽层，但负离 子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表 面形成一层电子层，形成N型 导电沟道，在UDS的作用下形 成ID。 UDS ID + + - - + - + + - - - UGS 反型层 当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论 UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0. 当UGSUT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作 用下，ID将进一步增加 开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道, 这种类型的管子称为增强型MOS管 Sect N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 增强型MOS管 UDS一定时，UGS对漏极电流 ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C 转移特性曲线 UDSUGS-UT UGS(V) ID(mA) UT 在恒流区，ID与UGS的关系为 IDK(UGS-UT)2 沟道较短时，应考虑UDS对 沟道长度的调节作用： IDK(UGS-UT)2（1+UDS) K导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数 n沟道内电子的表面迁移率 COX单位面积栅氧化层电容 W沟道宽度 L沟道长度 Sn沟道长宽比 K本征导电因子 Sect N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C 输出特性曲线 1.可变电阻区： ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS UGS=6V UGS=4V UGS=5V UGS=3V UGS=UT=3V UGS(V) ID(mA) 当UGS变化时，RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 当UGS一定时，RON近似为一常数 因此又称之为恒阻区 Sect N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 输出特性曲线 2. 恒流区： 该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变 3.击穿区： UDS 增加到某一值时， ID开始剧增而出现击穿。 当UDS 增加到某一临界 值时，ID开始剧增时UDS 称为漏源击穿电压。 UGS=6V UGS=4V UGS=5V UGS=3V UGS=UT=3V UGS(V) ID(mA) Sect 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当UDS为0或较小时，相当 UGDUT， 此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线 分布。在UDS作用下形成ID Sect Sect 基础知识基础知识 当UDS增加到使UGD=UT时， 当UDS增加到UGDUT时， 增强型MOS管 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 这相当于UDS增加使漏极处沟道 缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断 。此时的漏极电流ID 基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长 的夹断沟道上， ID基本趋于不变。 MOS管衬底的处理 保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态 NMOS管UBS加一负压 PMOS管UBS加一正压 处理原则： 处理方法： Sect N沟道耗尽型MOS场效应管结构 3.3.2耗尽型MOS场效应管 + + + + + + + 耗尽型MOS管存在 原始导电沟道 Sect N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极 电流ID, 此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用 IDSS表示 当UGS0时，将使ID进一步增加。 当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UP表示。 UGS(V) ID(mA) N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线 转移特性曲线 在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(UGS-UP)2 沟道较短时， IDK(UGS-UT)2（1+UDS) UP ID IDSS(1- UGS /UP)2 常用关系式： Sect N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线 输出特性曲线 UGS=6V UGS=4V UGS=1V UGS=0V UGS=-1V UGS(V) ID(mA) N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0 Sect 3.3.3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 Sect 绝 缘 栅 场 效 应 管 N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型 Sect 场效应管的主要参数 直流参数 交流参数 极限参数 Sect 2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电 流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏 极电流。 1. 开启电压UT 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于 开启电压的绝对值,场效应管不能导通。 Sect 4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结 型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。 5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。 6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压 Sect 1. 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的求法: 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率 解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2 Sect 2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用 跨导比 Sect 3. 漏极电阻rds 反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作 点切线上的斜率 4.导通电阻Ron 在恒阻区内 Sect 5. 极间电容 Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容 主要的极间电容有： Sect 3.3、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS） 分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和 PMOS两种： 1) NMOS （Metal Oxidized Semiconductor) NMOS（D） P 衬底 NN 源极 门极 漏极 S G D 增强型N沟道示意 B 基底 NMOS（E） P 衬底 NN 源极 门极 漏极 S G D 耗尽型N沟道示意 B 基底 Sio2 Sio2 N沟道 G D S G G G B B + + 2）P沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor) N 衬底 PP 源极 门极 漏极 S G D 增强型P沟道示意 B 基底 PMOS（E） N 衬底 PP 源极 门极 漏极 S G D 耗尽型P沟道示意 B 基底 Sio2 Sio2 P沟道 G D S G G G B B - - PMOS（D） (1)工作状态示意图 P 衬底 NN S G D UGS UDS B ID 耗尽区 + + - - - - G D S B ID UDS UGS (2) IGFET 工作原理(NMOS) 耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。 增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压VT ，（相当于三极管死区电压）。 当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0 当UGS高于VT时，漏源之间加电压后。 ID=ID0（ -1）2 ；IDO为2VT时的ID 当UDS小于等于UGS-VT时，进入可变电阻区 UGS VT uGS iD gm = 2ID0(UGS-1) VT = VT 2 IDID0 VT (3) IGFET（E）特性曲线 UDS 可变电阻区 截止区 IB0 UDS=UGS-VT NMOS的输出特性曲线 2.0V 4.0V 6.0V UGS=8.0V A ID 放 大 区 0 击 穿 区 UDS=5V UGS V ID A 0 2 4 6 8 200 150 100 50 200 150 100 50 NMOS的转移特性曲线 (4)主要参数： 1）开启电压VT:手册给出是ID为一微小值 时的VGS 2）饱和漏极电流IDO; VGS=2VT时的ID 3)、 电压控制电流系数gm= 也称跨导（互导） 4）交流输出电阻 rds= 5)极限参数：V（BR）DS 漏极的附近发生雪崩击穿。 V（BR）GS 栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗 ，与 三极管类似。 vgs id Uds=常数 uds id vgs=常数 uds id 2 IDID0 VT = 3）FET的三种工作组态 以NMOS（E）为例： ID G RD S B UDS UGS 输 入 输 出 共源组态： 输入：GS 输出：DS G RD D B UDS UGS 输 入 输 出 共漏组态： 输入：GS 输出：DS G RD S B UDS 输 入 输 出 共栅组态： 输入：GS 输出：DS 一. 结型场效应管 1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）： 两个PN结夹着一个N型沟道。三 个电极： G：栅极 D：漏极 S：源极 符号： 3.4 场效应管放大电路 2. 结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压VGS ， 令VDS =0 当VGS=0时，为平衡PN结，导 电沟道最宽。 当VGS时，PN结反偏，形成 耗尽层，导电沟道变窄，沟道电 阻增大。 当VGS到一定值时 ，沟道会完 全合拢。 定义： 夹断电压Up使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源 电压VGS。 （2）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压VDS ，令VGS =0 由于VGS =0，所以导电沟道最宽 。 当VDS=0时， ID=0。 VDSID 靠近漏极处的耗尽层加宽 ，沟道变窄，呈楔形分布。 当VDS ，使VGD=VG S- VDS=VP时， 在靠漏极处夹断预夹断。 预夹断前， VDSID 。 预夹断后， VDSID 几乎不变。 VDS再，预夹断点下移。 （3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用 可用输两组特性曲线来描绘。 ID=f（ VGS 、VDS） （1）输出特性曲线： ID=f（ VDS ）VGS=常数 3 结型场效应三极管的特性曲线 四个区： 可变电阻区：预夹断前。 电流饱和区（恒流区）： 预夹断后。 特点： ID / VGS 常数= gm 即： ID = gm VGS（放大原理） 击穿区。 夹断区（截止区）。 (a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲 演示：动画（2-6） 动画（2-7） （2）转移特性曲线： ID=f（ VGS ）VDS=常数 4 .场效应管的主要参数 (1) 开启电压VT VT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不 能导通。 （2）夹断电压VP VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。 （3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管, RGS可达1091015。 （5） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流