场效应管及其基本电路PPT课件.ppt

第3章场效应管及其基本电路 3 1结型场效应管3 2绝缘栅场效应管 IGFET 3 3场效应管的参数和小信号模型3 4场效应管放大器 1 3 1结型场效应管 3 1 1结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管 JunctionFieldEffectTransistor 简称JFET 有N沟道JFET和P沟道JFET之分 图3 1给出了JFET的结构示意图及其表示符号 2 图3 1结型场效应管的结构示意图及其表示符号 a N沟道JFET b P沟道JFET 3 N沟道JFET 是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P 型区 形成两个PN结 将两个P 区接在一起引出一个电极 称为栅极 Gate 在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道 在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极 这两个电极间加上一定电压 便在沟道中形成电场 在此电场作用下 形成由多数载流子 自由电子产生的漂移电流 我们将电子发源端称为源极 Source 接收端称为漏极 Drain 在JFET中 源极和漏极是可以互换的 4 如图3 2所示 如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS 而在漏极和源极之间加上正的电压UDS 那么 在UDS作用下 电子将源源不断地由源极向漏极运动 形成漏极电流ID 因为栅源电压UGS为负 PN结反偏 在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流 所以栅极电流IG 0 源极电流IS ID 这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因 5 当栅源负压UGS加大时 PN结变厚 并向N区扩张 使导电沟道变窄 沟道电导率变小 电阻变大 在同样的UGS下 ID变小 反之 UGS 变小 沟道变宽 沟道电阻变小 ID变大 当 UGS 加大到某一负压值时 两侧PN结扩张使沟道全部消失 此时 ID将变为零 我们称此时的栅源电压UGS为 夹断电压 记为UGSoff 可见 栅源电压UGS的变化 将有效地控制漏极电流的变化 这就是JFET最重要的工作原理 6 图3 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 7 图3 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 8 图3 2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 a UGS 0 沟道最宽 ID最大 b UGS负压增大 沟道变窄 ID减小 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 ID 0 9 3 1 2结型场效应管的特性曲线一 转移特性曲线转移特性曲线表达在UDS一定时 栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用 即 3 1 理论分析和实测结果表明 iD与uGS符合平方律关系 即 3 2 10 式中 IDSS 饱和电流 表示uGS 0时的iD值 UGSoff 夹断电压 表示uGS UGSoff时iD为零 转移特性曲线如图3 3 a 所示 为了使输入阻抗大 不允许出现栅流iG 也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制 PN结一定要反偏 所以在N沟道JFET中 uGS必须为负值 11 图3 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 12 图3 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 13 二 输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系 如图3 3 b 所示 根据特性曲线的各部分特征 我们将其分为四个区域 1 恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区 其主要特征为 1 当UGSoff UGS 0时 uGS变化 曲线平移 iD与uGS符合平方律关系 uGS对iD的控制能力很强 14 2 UGS固定 uDS增大 iD增大极小 说明在恒流区 uDS对iD的控制能力很弱 这是因为 当uDS较大时 UDG增大 靠近漏区的PN结局部变厚 当 uDS uGS UGSoff 3 3 时 沟道在漏极附近被局部夹断 称为预夹断 如图3 4 b 所示 此后 uDS再增大 电压主要降到局部夹断区 而对整个沟道的导电能力影响不大 所以uDS的变化对iD影响很小 15 2 可变电阻区当uDS很小 uDS uGS UGSoff 时 即预夹断前 如图3 4 a 所示 uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度 从而影响iD的大小 所以在此区域 随着uDS的增大 iD增大很快 与双极型晶体管不同 在JFET中 栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大 随着 UGS 增大 曲线斜率变小 说明JFET的输出电阻变大 如图3 3 b 所示 16 图3 4uDS对导电沟道的影响 17 3 截止区当 UGS UGSoff 时 沟道被全部夹断 iD 0 故此区为截止区 若利用JFET作为开关 则工作在截止区 即相当于开关打开 4 击穿区随着uDS增大 靠近漏区的PN结反偏电压uDG uDS uGS 也随之增大 18 3 2绝缘栅场效应管 IGFET 3 2 1绝缘栅场效应管的结构如图3 5所示 其中图 a 为立体结构示意图 图 b 为平面结构示意图 19 图3 5绝缘栅 金属 氧化物 半导体 场效应管结构示意图 a 立体图 b 剖面图 20 图3 5绝缘栅 金属 氧化物 半导体 场效应管结构示意图 a 立体图 b 剖面图 21 3 2 2N沟道增强型MOSFET EnhancementNMOSFET 一 导电沟道的形成及工作原理如图3 6所示 若将源极与衬底相连并接地 在栅极和源极之间加正压UGS 在漏极与源极之间施加正压UDS 我们来观察uGS变化时管子的工作情况 22 图3 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 23 图3 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 24 二 转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图3 7所示 其主要特点为 1 当uGSUGSth时 iD 0 uGS越大 iD也随之增大 二者符合平方律关系 如式 3 4 所示 3 4 25 图3 7N沟道增强型MOSFET的转移特性 26 式中 UGSth 开启电压 或阈值电压 n 沟道电子运动的迁移率 Cox 单位面积栅极电容 W 沟道宽度 L 沟道长度 见图3 5 a W L MOS管的宽长比 在MOS集成电路设计中 宽长比是一个极为重要的参数 27 三 输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图3 8所示 与结型场效应管的输出特性相似 它也分为恒流区 可变电阻区 截止区和击穿区 其特点为 1 截止区 UGS UGSth 导电沟道未形成 iD 0 28 图3 8输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 29 图3 8输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 30 2 恒流区 曲线间隔均匀 uGS对iD控制能力强 uDS对iD的控制能力弱 曲线平坦 进入恒流区的条件 即预夹断条件为 3 5 31 因为UGD UGS UDS 当UDS增大 使UGD UGSth时 靠近漏极的沟道被首先夹断 如图 3 9所示 此后 UDS再增大 电压的大部分将降落在夹断区 此处电阻大 而对沟道的横向电场影响不大 沟道也从此基本恒定下来 所以随UDS的增大 iD增大很小 曲线从此进入恒流区 32 图3 9uDS增大 沟道被局部 夹断 预夹断 情况 33 沟道调制系数 不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点 见图3 8 b 该点电压称为厄尔利电压UA 定义沟道调制系数来表达uDS对沟道及电流iD的影响 显然 曲线越平坦 UA 越大 越小 3 6 34 考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为 但由于 1 沟道调制效应可忽略 则 3 可变电阻区 可变电阻区的电流方程为 3 8 3 7b 3 7a 35 可见 当uDS uGS UGSth 时 即预夹断前 那么 可变电阻区的输出电阻rDS为 式 3 10 表明 uGS越大 rDS越小 体现了可变电阻 3 10 3 9 36 3 2 3N沟道耗尽型MOSFET DepletionNMOSFET 增强型N沟道MOSFET在uGS 0时 管内没有导电沟道 而耗尽型则不同 它在 uGS 0时就存在导电沟道 因为这种器件在制造过程中 在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子 如Na 或K 形成许多正电中心 这些正电中心的作用如同加正栅压一样 在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场 排斥空穴 吸引电子 从而形成表面导电沟道 称为原始导电沟道 37 由于uGS 0时就存在原始沟道 所以只要此时uDS 0 就有漏极电流 如果uGS 0 指向衬底的电场加强 沟道变宽 漏极电流iD将会增大 反之 若uGS 0 则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反 总电场减弱 沟道变窄 沟道电阻变大 iD减小 当uGS继续变负 等于某一阈值电压时 沟道将全部消失 iD 0 管子进入截止状态 综上所述 N沟道耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图3 10 a b c 所示 38 图3 10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 a 转移特性 b 输出特性 c 表示符号 39 图3 10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 a 转移特性 b 输出特性 c 表示符号 40 图3 10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 a 转移特性 b 输出特性 c 表示符号 41 N沟道耗尽型MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的 不过其中的开启电压应换成夹断电压UGSoff 经简单变换 耗尽型NMOSFET的电流方程为 式中 3 11 3 12 ID0表示uGS 0时所对应的漏极电流 42 3 2 4各种类型MOS管的符号及特性对比图3 11给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号 图3 12给出各种场效应管的转移特性和输出特性 各种管子的输出特性形状是一样的 只是控制电压UGS不同 43 图3 11各种场效应管的符号对比 44 图3 11各种场效应管的符号对比 45 图3 12各种场效应管的转移特性和输出特性对比 a 转移特性 b 输出特性 46 2020 1 8 47 图3 12各种场效应管的转移特性和输出特性对比 a 转移特性 b 输出特性 48 3 3场效应管的参数和小信号模型 3 3 1场效应管的主要参数一 直流参数1 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 1 饱和漏极电流IDSS ID0 IDSS指的是对应uGS 0时的漏极电流 2 夹断电压UGSoff 当栅源电压uGS UGSoff时 iD 0 49 2 增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说 主要参数有开启电压UGSth 即当uGS uGSth时 导电沟道才形成 iD 0 3 输入电阻RGS对结型场效应管 RGS在108 1012 之间 对MOS管 RGS在1010 1015 之间 通常认为RGS 50 二 极限参数场效应管也有一定的运用极限 若超过这些极限值 管子就可能损坏 场效应管的极限参数如下 1 栅源击穿电压U BR GSO 2 漏源击穿电压U BR DSO 3 最大功耗PDM PDM ID UDS 51 三 交流参数1 跨导gm跨导gm的定义为 3 13 gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱 gm可以从转移特性或输出特性中求得 也可以用公式计算出来 对JFET和耗尽型MOS管 电流方程为 52 3 14 那么 对应工作点Q的gm为 式中 IDQ为直流工作点电流 可见 工作点电流增大 跨导也将增大 而对增强型MOSFET 其电流方程为 53 那么 对应工作点Q的gm为 3 15 式 3 15 表明 增大场效应管的宽长比和工作电流 可以提高gm 2 输出电阻rds输出电阻rds定义为 3 16 3 17 恒流区的rds可以用下式计算 54 3 3 2场效应管的低频小信号模型因为 所以 3 18 3 19 以正弦复数值表示 上式可改写为 通常rds较大 对Id的影响可以忽略 则 55 画出式 3 20 和式 3 21 所对应的等效电路分别如图3 13 a b 所示 由于栅流 iG 0 RGS 所以输入回路等效电路可以不画出 可见 场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单 56 图3 13场效应管低频小信号简化模型 57 3 4场效应管放大器 3 4 1场效应管偏置电路与晶体管放大器相似 静态工作点的设置对放大器的性能至关重要 在场效应管放大器中 由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS 0时 iD 0 故可采用自偏压方式 如图3 14 a 所示 而对于增强型MOSFET 则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式 如图3 14 b 所示 我们可以用两种办法确定直流工作点 一种是图解法 另一种是解析法 58 图3 14场效应管偏置方式 a 自偏压方式 b 混合偏置方式 59 一 图解法画出N沟道场效应管的转移特性如图3 15所示 对于自偏压方式 栅源回路直流负载线方程为 3 22 在转移特性坐标上画出该负载线方程如图3 15 a 所示 分别求出JFET的工作点为Q1点 耗尽型MOSFET的工作点为Q2点 而与增强型MOSFET转移特性则无交点 60 图3 15图解法求直流工作点 a 自偏压方式 b 混合偏置方式 61 对于混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程为 3 23 画出该负载线如图3 15 b 所示 对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q 1 Q 2及Q3 这里要特别注意的是 对JFET RG2过大 或RS太小 都会导致工作点不合适 如图 3 15 b 虚线所示 62 二 解析法已知电流方式及栅源直流负载线方程 联立求解即可求得工作点 例如 3 24a 3 24b 将式 3 24b 代入式 3 24a 解一个iD的二次方程 有两个根 舍去不合理的一个根 留下合理的一个根便是IDQ 63 3 4 2场效应管放大器分析与晶体管放大器相似 场效应管放大器也有共源 共漏 共栅等三种基本组态电路 一 共源放大器共源放大器电路如图3 16 a 所示 其低频小信号等效电路如图3 16 b 所示 由图 b 可知 放大器输出交流电压为 3 25 64 图3 16共源放大器电路及其低频小信号等效电路 a 电路 b 低频小信号等效电路 65 图3 16共源放大器电路及其低频小信号等效电路 a 电路 b 低频小信号等效电路 66 式中 且一般满足RD RL rds 所以 共源放大器的放大倍数Au为 3 26 若gm 5mA V 元件值如图3 16 a 所示 则Au 50 输出电阻 输入电阻 3 27 3 28 67 图3 17给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果 从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系 放大倍数等 68 图3 17基于Workbench平台的FET放大电路的计算机仿真 69 由图可见 场效应管型号为inf510 栅流IG 0 漏极电流IDQ 0 858mA 输出波形与输入波形相位相反 用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V 输入信号峰峰值为 0 024V 故该电路的放大倍数为 70 例场效应管放大器电路如图3 18 a 所示 已知工作点的gm 5mA V 试画出低频小信号等效电路 并计算增益Au 71 图3 18带电流负反馈的放大电路 a 电路 b 等效电路 c 简化等效电路 72 图3 18带电流负反馈的放大电路 a 电路 b 等效电路 c 简化等效电路 73 解 1 该电路的小信号等效电路如图3 18 b 所示 2 输出电压 式中 故 3 29 3 30 3 31 将式 3 31 代入式 3 29 得放大倍数Au为 3 32 74 二 共漏放大器共漏放大器的电路如图3 19 a 所示 相应的等效电路如图3 19 b 所示 该电路的主要参数如下 1 放大倍数Au 式中 故 75 图3 19共漏电路及其等效电路 a 电路 b 等效电路 76 图3 19共漏电路及其等效电路 a 电路 b 等效电路 77 所以 3 33 78 2 输出电阻Ro计算输出电阻Ro的等效电路如图3 20所示 首先将RL开路 短路 在输出端加信号 求出 则 79 图3 20计