模拟电子技术第三章场效应三极管.ppt

第三章 场效应三极管,结型场效应管,绝缘栅场效应管,场效应管的主要参数,下页,总目录,场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。,分类：,结型场效应管,绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,下页,上页,首页,一、结型场效应管,1. 结构,N型沟道,N沟道结型场效应管的结构和符号,栅极,漏极,源极,下页,上页,首页,2. 工作原理,uGS = 0,uGS 0,uGS = UGS(off), 当uDS = 0 时， uGS 对耗尽层和导电沟道的影响。,ID=0,ID=0,下页,上页,首页,沟道较宽，iD 较大。,iS = iD,iD,iS,iD,iS,uGS=0，uGD UGS(off),uGS UGS(off), 当uDS 0 时， uGS 对耗尽层和 iD 的影响。,沟道变窄， iD 较小。,下页,上页,首页,uGS 0，uGD= UGS(off)，,uGS UGS(off) ，uGD UGS(off)，,iD 0， 导电沟道夹断。,iD更小， 导电沟道预夹断。,下页,上页,首页,3. 特性曲线, 转移特性,iD = f（uGS）|uDS=常数,沟道结型场效应管转移特性,IDSS,UGS(off),饱和漏极电流,栅源间加反向电压 uGS 0 利用场效应管输入电阻高的优点。,下页,上页,首页, 漏极特性,iD=f（uDS）|uGS=常数,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,|UGS(off)|8V,IDSS,|uDS-uGS|= |UGS(off)|,可变电阻区： iD 与uDS 基本上呈线性关系， 但不同的uGS 其斜率不同。,恒流区：又称饱和区， iD 几乎与uDS 无关， iD 的值受uGS 控制。,N沟道结型场效应管的漏极特性,击穿区： 反向偏置的PN结被击穿， iD 电流突然增大。,夹断电压,下页,上页,首页,二、绝缘栅场效应管,1. N沟道增强型MOS场效应管, 结构,P型衬底,B,铝,P衬底杂质浓度较低， 引出电极用B表示。,N+两个区杂质浓度很高， 分别引出源极和漏极。,栅极与其他电极是绝缘的， 通常衬底与源极在管子内部连接。,下页,上页,首页,开启电压，用uGS(th)表示, 工作原理,当uGS 增大到一定值时， 形成一个N型导电沟道。,N型沟道,导电沟道的形成,假设uDS = 0 ，同时uGS 0,靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层， 若增大uGS ，则耗尽层变宽。,又称之为反型层,导电沟道随uGS 增大而增宽。,下页,上页,首页,uDS对导电沟道的影响,uGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且uDS UGS(th) 则有电流iD 产生，,iD,使导电沟道发生变化。 当uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th) 即uGD = uGS - uDS = UGS(th) 时， 沟道被预夹断， iD 饱和。,下页,上页,首页, 特性曲线,IDO,UGS(th),2UGS(th),预夹断轨迹,恒流区,当uGS UGS(th)时,下页,上页,转移特性曲线可近似用以下公式表示：,首页,2. N沟道耗尽型MOS场效应管,预先在二氧化硅中掺入大量的正离子， 使uGS = 0 时， 产生N型导电沟道。 当uGS 0 时，沟道变宽， iD 增大。,下页,上页,首页,动画,耗尽型： uGS = 0 时无导电沟道。 增强型： uGS = 0 时有导电沟道。,特性曲线,IDSS,UGS(off),预夹断轨迹,恒流区,IDSS,下页,上页,首页,三、 场效应管的主要参数,1. 直流参数, 饱和漏极电流 IDSS 是耗尽型场效应管的一个重要参数。 它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零， 而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。, 夹断电压 UGS(off) 是耗尽型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。,下页,上页,首页, 开启电压 UGS(th) UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。, 直流输入电阻 RGS 栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。 结型场效应管的RGS一般在107以上， 绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109。,下页,上页,首页,2. 交流参数 低频跨导gm 用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。, 极间电容 场效应管三个电极之间的等效电容， 包括CGS 、 CGD和CDS 。 极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,下页,上页,首页,3. 极限参数 漏极最大允许耗散功率PDM 漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积， 即pD= iD uDS。 漏源击穿电压U（BR)DS 在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS 。 栅源击穿电压U（BR）GS,下页,上页,首页,3.2 场效应管及其放大电路,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。,结型场效应管,按结构不同场效应管有两种:,绝缘栅型场效应管,本节仅介绍绝缘栅型场效应管,按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类 每类又有N沟道和P沟道之分,3.2.1 绝缘栅场效应管,漏极D,栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,(1) N沟道增强型管的结构,栅极G,源极S,1. 增强型绝缘栅场效应管,符号：,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014 。,由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,(2) N沟道增强型管的工作原理,由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。,当栅源电压UGS = 0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。,当UGS 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；,N型导电沟道,在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。,当UGS UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。,(2) N沟道增强型管的工作原理,N型导电沟道,当UGS UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。,在一定的漏源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。,(2) N沟道增强型管的工作原理,(3) 特性曲线,有导电沟道,转移特性曲线,无导电 沟道,开启电压UGS(th）,UDS,UGS/,漏极特性曲线,恒流区,可变电阻区,截止区,符号：,结构,(4) P沟道增强型,SiO2绝缘层,加电压才形成 P型导电沟道,增强型场效应管只有当UGS UGS(th）时才形成导电沟道。,2. 耗尽型绝缘栅场效应管,符号：,如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。,(1 ) N沟道耗尽型管,SiO2绝缘层中 掺有正离子,予埋了N型 导电沟道,2. 耗尽型绝缘栅场效应管,由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，若漏源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流 ID 产生。,当UGS 0时，使导电沟道变宽， ID 增大； 当UGS 0时，使导电沟道变窄， ID 减小； UGS负值愈高，沟道愈窄， ID就愈小。,当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失， ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。,这时的漏极电流用 IDSS表示，称为饱和漏极电流。,(2) 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,夹断电压,耗尽型的MOS管UGS= 0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。,UGS(off),IDSS,2. 耗尽型绝缘栅场效应管,(3) P 沟道耗尽型管,予埋了P型 导电沟道,SiO2绝缘层中 掺有负离子,耗尽型,G、S之间加一定 电压才形成导电沟道,在制造时就具有 原始导电沟道,3. 场效应管的主要参数,(1) 开启电压 UGS(th)：是增强型MOS管的参数 (2) 夹断电压 UGS(off)： (3) 饱和漏电流 IDSS：,(4) 低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流 的控制能力,极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。,场效应管与晶体管的比较,类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道,放大参数,3.2.2 场效应管放大电路,场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。,场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。,场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。,场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。,1.自给偏压式偏置电路,3.2.2 场效应管放大电路,栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。,UGS = RSIS = RSID,T为N沟道耗尽型场效应管,增强型MOS管因UGS=0时， ID 0，故不能采用自给偏压式电路。,静态分析可以用估算法或图解法( 略 ),估算法：,UGS = RSID,将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;,由 UDS= UDD ID(RD+ RS) 解出UDS,列出静态时的关系式,对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。,例：已知UDD =20V、RD=3k、 RS=1k、 RG=500k、UGS(off)= 4V、IDSS=8mA， 确定静态工作点。,解：用估算法,UGS = 1 ID,UDS= 20 2（ 3 + 1 ）= 12 V,列出关系式,解出 UGS1 = 2V、UGS2 = 8V、ID1=2mA、ID2=8mA,因UGS2 UGS(off) 故舍去 ， 所求静态解为UGS = 2V ID=2mA、,2. 分压式偏置电路,(1) 静态分析,估算法：,将已知的UGS(off)、ID