模电课件12第四章场效应管.ppt

双极型晶体管BJT：输入电阻rbe小，电流控制器件,场效应管,输入电阻高、内部噪声小、耗电省、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、易于实现集成化、工作频率高,电压控制器件,第四章 场效应管及MOS模拟集成电路基础,4-1 结型场效应管（JFET）,4-2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）,4-3 场效应管放大电路,4-4 MOS模拟集成电路基础,场效应管（FET）：,是一种具有PN结的有源半导体器件，利用电场效应来控制输出电流的大小。,场效应管的特点：,输入电阻高；,内部噪声小；,功耗低；,热稳定性及抗辐射能力强；,工艺简单、易于集成化。,输入端PN结一般工作反偏或绝缘状态。,场效应管的分类：,结型FET（JFET）：,MOSFET（IGFET）：,N沟道、P沟道,增强型：,耗尽型：,N沟道、P沟道,N沟道、P沟道,4.1 结型场效应管（JFET）,一、 JFET的结构和符号,# 符号中的箭头方向表示什么？,表示栅结正向偏置时，电流方向是由P指向N。,G,N沟道JFET 的结构和符号,栅极,漏极,源极,B,P沟道JFET,C,E,B,C,E,二、 JFET的工作原理,N沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压uGS 0.,栅极沟道间的PN结反偏，,栅极电流iG0,栅极输入阻抗高达107以上。,在D-S间加一个正电压uDS0,N沟道中的多子（电子）由S向D运动，形成漏极电流iD。,主要讨论uGS对iD的控制作用以及uDS对iD的影响。,电子,iD,uGS,uDS,输入电阻很高,只有一种类型的多数载流子参与导电,1、 UGS对iD对控制作用, UDS=0， uGS 对导电沟道的影响,uGS=0,导电沟道较宽,|uGS|=|UGS(off)|,|uGS|UGS(off)|,导电沟道由于耗尽层的加宽而变窄。,导电沟道由于耗尽层的合拢而被夹断。,UGS(off)夹断电压。,当uGS由零向负值增大时,沟道电阻rDS,|uGS| ,当|uGS|= UGS（off）时，沟道夹断，iD=0 。,沟道电阻rDS, iD,夹断电压,耗尽层合拢的电压条件,PN结两端电压=夹断电压UGS(off),A点电压=uDG =UGS(off),=uDS - uGS,uDS=uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),耗尽层合拢的电压条件,耗尽层不合拢的电压条件,uGS 夹断电压UGS(off), uDS对iD的影响,uGS=0 ；,导电沟道较宽；,当uDS较小时(uDS uGS-UGS(off) )，iD随uDS的增大成正比增大；,uDS,导电沟道由于DS间的电位梯度呈契形；,uDS,uDS uGS-UGS(off),uGS,iD,uDS产生一个沿沟道的电位梯度,uDS,A,uDS,rDS很小，几乎不变,iD, uDS对iD的影响,两耗尽层在A点相遇,此时，A点耗尽层两边的电位差为：,饱和漏电流,uGD,= UGS(off),当uDS= |UGS（off）|时，靠近漏极出现沟道合拢，两耗尽层在A点相遇,称为预夹断状态,uGS = UGS(off),uGS=0,= uGS- uDS, uDS= uGS-UGS(off), uDS对iD的影响,沟道预夹断后，,uDS uGS-UGS(off),G,P+,P+,D,S,N,uDS,夹断区长度,外电压的增量主要降落在夹断区上。,uDS= uGS-UGS(off),沟道预夹断时，,uGS=0,uDS=-UGS(off),uGS=0,rDS大,i=1mA,4V,i=1mA,1V,4V,V,沟道预夹断后，,uDS uGS-UGS(off),uDS,夹断区长度,外电压的增量主要降落在夹断区上。,iD基本不随uDS的增加而上升， iD趋于饱和。,在强电场作用下PN结雪崩击穿， iD急剧增大。,uGS=0,若uDS BUDS，。,uDS,uDS,uDS uGS-UGS(off),uGS,uGS0, uDS 0,iD,uDS,饱和漏电流,uDS=uGS-UGS(off),沟道预夹断,uDS,uDS uGS-UGS(off),夹断区长度,iD基本不随uDS的增加而上升， iD趋于饱和。,uDS,在强电场作用下PN结雪崩击穿， iD急剧增大。,uGS=0V,uGS= -4V,uGS= -8V,uGD = uGS- uDS= UGS(off),综上分析可知：,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。,JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。,预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,|uGS|UGS(off)|,UGS(off)夹断电压。,|uGS| ,当|uGS|= UGS（off）时，沟道夹断，iD=0 。,沟道电阻rDS, iD,复习,uDS,uDS uGS-UGS(off),uGS,uGS0, uDS 0,iD,uDS,饱和漏电流,uDS=uGS-UGS(off),沟道预夹断,uDS,uDS uGS-UGS(off),夹断区长度,iD基本不随uDS的增加而上升， iD趋于饱和。,uDS,在强电场作用下PN结雪崩击穿， iD急剧增大。,uGS=0V,uGS= -4V,uGS= -8V,uGD = uGS- uDS= UGS(off),三、 JFET的特性曲线及参数,1. 输出特性,可变电 阻区,恒流区,击 穿 区, uGSrds,恒流区（饱和区）,击穿区,截止区 （全夹断区）,uDS= uGS-UGS(off),uGS,可变电阻区,JFET正常放大作用区域,线性放大区,BUDS,P140 表41 N沟道JFET各工作区的条件,uGS UGS(off),uDS uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),2. 转移特性,0,(当UGS(off)uGS 0),-3,-2,-1,在恒流区,IDSS,UGS(off),3. 主要参数,（1）夹断电压UGS(off)：,实测时，令uDS为某一固定值（10V），使iD0时，栅源之间所加的电压， uGS =UGS(off)。,（2）饱和漏电流IDSS：,uGS=0时，-uDS= UGS(off)。,uGS=0，当uDS |UGS(off)|（10V）时的漏极电流。,IDSS是JFET能输出的最大电流。,饱和漏电流,uGD = uGS- uDS= UGS(off),uDS= uGS- UGS(off),（3）直流输入电阻RGS：,在漏源间短路的情况下，栅源间加一定的反偏电压时的栅源直流电阻。,（4）输出电阻rd：,反映了漏源电压对漏极电流的影响。,在恒流区， iD随uDS改变很小，所以rd的数值很大，在几十千欧到几百千欧之间。,恒流区,（5）低频跨导gm：,uDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量的比。,反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，,gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,（7）最大栅源电压BUGS：,输入栅源间PN结的反向电流开始急剧增加的uGS值。,（8）最大耗散功率PDM：,JFET的瞬时耗散功率等于uDS和iD的乘积，即pDuDSiD,（6）最大漏源电压BUDS：,发生雪崩击穿， iD开始急剧上升时的uDS值。,IDSS越负， BUDS越小。,1、转移特性曲线：,ID= f（ UGS ）| UDS = 常数,三、特性曲线,2、漏极特性曲线：,ID= f（ UDS ）| UGS = 常数,恒流区,击 穿 区,线性放大区,可变电阻区,放大区,击 穿 区,线性放大区,饱和区,3、漏极特性、转移特性曲线间的联系,判断N沟道JFET工作区,uGS,当uDS,uDS= uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),uDS uGS-UGS(off),uGSUGS(off),截止区,uGSUGS(off),可变电阻区,预夹断,恒流区,uDS BUDS,击穿区,例41 设N沟道JFET的UGS（off）= -4V，试分析图中的JFET各工作在哪个区?,10V,-5V,7V,-3V,解：图(a)：uDS,图(a),uGS,=10V为正极性,= -5V,uGS UGS（off）,所以沟道处于全夹断状态。即图(a)的JFET工作在截止区。,图(b),uGS= -3V UGS（off） 所以导电沟道存在。,又知uDS=7V，uGS-UGS（off）=1V，满足uDSuGS-UGS（off）所以漏端的沟道已被部分夹断，,图(b)的JFET工作在恒流区(放大区),0.5V,图(c),uGS=0V，满足uGS UGS（off），所以导电沟道存在,又因为uDS=05V，uGS - UGS（off）= 4V，满足uDSuGS-UGS（off）所以漏源之间存在连续沟道，,图(c) 的JFET工作在可变电阻区,作业： P165 4.1(UGS(off)= -4V),场效应管的分类：,结型FET（JFET）：,MOSFET（IGFET）：,N沟道、P沟道,增强型：,耗尽型：,N沟道、P沟道,N沟道、P沟道,106109,绝缘栅型场效应管（MOSFET）,1015,增强型N沟道MOS管（E型N MOSFET）,增强型P沟道MOS管（E型P MOSFET）,耗尽型N沟道MOS管（D型N MOSFET）,耗尽型P沟道MOS管（D型P MOSFET）,142 绝缘栅型场效应管（MOSFET）,一、N沟道增强型MOSFET,（一）结构和符号,衬底引线,绝缘层SiO2,S,D,栅极与其他两个电极是相互绝缘的,箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道),iG=0,间断线表示栅源电压uGS=0时，FET内部不存在导电沟道,（二）工作原理,1、UGS=0,漏源间没有导电的沟道，iD=0,（二）工作原理,(1)导电沟道的形成,uGS 0,uGS,uGS增大到某一个值时,反型层,反型层是N型半导体层,开启电压UGS（th）,uGS UGS（th）全夹断状态,UGS=UGS(th)时，导电沟道开始形成,uGS uGS(th),uGS ,导电沟道 ,uGB ,rDS ,(2) iD和导电沟道随uGS和uDS的变化,uGS=常数UGS（th）,电位,S D,低高,宽 窄,S D,有导电沟道的条件,uGD UGS（th）,uGD= uGS-uDS, UGS（th）,uDS uGS- UGS（th）,uDS,rDS(慢),iD,uDS,导电沟道开始形成uGD= uGS-uDS =UGS（th）,导电沟道开始夹断uGD= uGS-uDS =UGS（th）,uDS = uGS- UGS（th）,预夹断,预夹断后,预夹断,uDS uGS- UGS（th）,uDS,预夹断后uDS几乎都降落在夹断区上，而未夹断沟道中的电压基本维持不变。,iD几乎不变略有增大,uDS,反向击穿,uGS- uDS UGS（th）,uGD=,沟道部分夹断,3输出特性曲线,uGS=5V,uGS= 4V,uGS= 3V,uGS= 2V,uGS= UGS(th),uGS uGS(th),导电沟道 ,uGS ,rDS ,iD ,预夹断曲线,uDS= uGS- UGS（th）,uGS= UGS(off),uGS= UGS(th),三、 E型 N MOSFET的输出特性曲线,1. 输出特性,iD,uDS,0,5,4,3,2,可变电 阻区,恒流区,击 穿 区, uGSrds,恒流区（饱和区）,击穿区,截止区 （全夹断区）,uDS= uGS-UGS(th),uGS,可变电阻区,MOSFET正常放大作用区域,线性放大区,BUDS,uGS UGS(th),uDS uGS-UGS(th),uDS uGS-UGS(th),UGS(th),P145 表42,2. 转移特性,2,3,4,5,转移特性曲线,E型 N MOSFET,(当UGS(off)uGS 0),N JFET,例42 一N沟道增强型MOSFET的UGS（th）=2V，当uDS=05V，uGS=3V时，iD=lmA，试问该MOSFET工作在什么区 ? 此时，漏源间的电阻RDS = ?,uGS,当uDS,uDS= uGS-UGS(th),uDS uGS-UGS(th),uDS uGS-UGS(th),uGSUGS(th),截止区,uGSUGS(th),可变电阻区,预夹断,恒流区,uDS BUDS,击穿区,uGS =3V UGS（th）=2V,uDS=05V，uGS- UGS（th）=1V,满足uDS uGS- UGS（th）,N沟道MOSFET工作在可变电阻区,作业： P166 4.3,二、N沟道耗尽型MOS管,1、结构和符号,uGS,uGS ,导电沟道 , UGS(off)夹断电压,3输出特性曲线,uG