场效应管放大电路.ppt

2019/5/26,1,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.3 结型场效应管（JFET）,*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管,5.5 各种放大器件电路性能比较,5.2 MOSFET放大电路,第5章 场效应管放大电路,2019/5/26,2,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,2019/5/26,3,关于MOS场效应管符号的说明：,N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。,表示衬底在内部没有与源极连接。,N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。,N沟道结型MOS管。没有绝缘层。,如果是P沟道，箭头则向外。,2019/5/26,4,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要参数,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3 P沟道MOSFET,5.1.4 沟道长度调制效应,2019/5/26,5,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构（N沟道）,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,通常 W L,2019/5/26,6,剖面图,符号,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,2019/5/26,8,2 N沟道增强型MOSFET的主要工作原理,对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。,(1)栅源电压UGS的控制作用,先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。,UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。,同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。,沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS ，就会有漏极电流ID产生。,反型层,当UGS较小时，不能形成有 效的沟道，尽管加有UDS ，也不 能形成ID 。当增加UGS，使ID刚 刚出现时，对应的UGS称为开启 电压，用UGS(th)或UT表示。,2019/5/26,9,VGS对沟道的控制作用,当VGS0时,无导电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。,当0VGS VT 时,产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。,当VGS VT 时,在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。,VGS越大，导电沟道越厚,VT 称为开启电压,2019/5/26,10,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGS VT ）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,2019/5/26,11,（2）漏源电压VDS的控制作用,设VGSVGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。,显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入VDS后， VDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入VDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。,当VDS进一步增加时， ID会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。,预夹断,当VDS进一步增加时， 漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的VDS基本上降落在夹断区。,2019/5/26,12,当VGS一定（VGS UT ）时，,VDS,ID,沟道电位梯度,当VDS增加到使VGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,VDS对沟道的控制作用,在预夹断处：VGD=VGS-VDS =VT,2019/5/26,13,预夹断后，VDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2019/5/26,14,（3） VDS和VGS同时作用时,VDS一定，VGS变化时,给定一个VGS ，就有一条不同的 ID VDS 曲线。,2019/5/26,15,当栅极加有电压时，若 0VGSVGS(th)时，通过栅极和 衬底间的电容作用，将靠近栅极 下方的P型半导体中的空穴向下 方排斥，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动，但数量有限，不足以形 成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,3. 分析步骤总结 （1）栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，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。,2019/5/26,16,VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th) 时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子， 因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管。,2019/5/26,17,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。 gm 的量纲为mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS UDS=const (单位mS),ID=f(UGS)UDS=const,2019/5/26,18,（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图所示。根据此图可以有如下关系,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,漏源电压VDS对沟道的影响,2019/5/26,19,当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图 (a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图 (b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的 情况，称为预夹断。,当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图 (c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS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。,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,漏极输出特性曲线,ID=f(VDS)VGS=const,2019/5/26,21,4. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 截止区 当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,2019/5/26,22, 可变电阻区 vDS（vGSVT）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,2019/5/26,23, 可变电阻区,n ：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,2019/5/26,24, 饱和区 （恒流区又称放大区）,vGS VT ，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I 特性：,2019/5/26,25,（2）转移特性,2019/5/26,26,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,2019/5/26,27,当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,2019/5/26,28,(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线,2019/5/26,29,N沟道耗尽型MOSFET主要工作原理,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当UGS=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS0时，将使ID进一步增加。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的转移特性曲线如右上图所示。,夹断电压,IDSS,2019/5/26,30,2. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（N沟道增强型）,2019/5/26,31,5.1.3 P沟道MOSFET,2019/5/26,32,5.1.4 沟道长度调制效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,2019/5/26,33,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,NMOS增强型,1. 开启电压VT （增强型参数）,2. 夹断电压VP （耗尽型参数）,3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）,4. 直流输入电阻RGS （1091015 ）,二、交流参数,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,2019/5/26,34,2. 低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,2019/5/26,35,三、极限参数,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V（BR）DS,4. 最大栅源电压V（BR）GS,2019/5/26,36,5.2 MOSFET放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,2. 图解分析,3. 小信号模型分析,2019/5/26,37,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,2019/5/26,38,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT ，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,2019/5/26,39,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。,VDD=5V， VT=1V，,2019/5/26,40,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,饱和区,需要验证是否满足,2019/5/26,41,静态时，vI0，VG 0，ID I,电流源偏置,VS VG VGS,（饱和区）,电流源偏置电路,2019/5/26,42,2. 图解分析,由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同,2019/5/26,43,3. 小信号模型分析,（1）模型,静态值 （直流）,动态值 （交流）,非线性失真项,当，vgs 2(VGSQ- VT )时，,2019/5/26,44,（1）模型,0时,高频小信号模型,2019/5/26,45,解：例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大电路分析（例5.2.5）,s,2019/5/26,46,s,2019/5/26,47,（2）放大电路分析（例5.2.6）,共漏,2019/5/26,48,2019/5/26,49,5.3 结型场效应管,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,2019/5/26,50,5.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构,# 符号中的箭头方向表示什么？,2019/5/26,51,2. 工作原理, vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。,2019/5/26,52, vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,ID ,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS ,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2019/5/26,53, vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS ， ID的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS =VP,2019/5/26,54,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是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,预夹断前i