MOS管-场效应管放大电路 教育学习.ppt

第五章场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件 是仅由一种载流子参与导电的半导体器件 从参与导电的载流子来划分 它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件 1 高级材料 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 金属氧化物场效应管MOSFET MetalOxideSemiconductorFET 又称绝缘栅型场效应管 它是一种利用半导体表面电场效应 由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件 它的栅极与半导体之间是绝缘的 其电阻大于109 增强型 VGS 0时 漏源之间没有导电沟道 在VDS作用下无iD 耗尽型 VGS 0时 漏源之间有导电沟道 在VDS作用下iD 2 高级材料 1 结构和符号 N沟道增强型MOSFET结构左右对称 是在一块浓度较低的P型硅上生成一层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型区引出电极作为D和S 在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为G D Drain 漏极 相当cG Gate 栅极 相当bS Source 源极 相当eB Substrate 衬底 5 1 1N沟道增强型MOSFET 3 高级材料 2 工作原理 VGS 0时 无导电沟道漏源之间相当两个背靠背的二极管 在D S之间加上电压 不管VDS极性如何 其中总有一个PN结反向 所以不存在导电沟道 VGS 0 ID 0VGS必须大于0管子才能工作 1 栅源电压VGS的控制作用 4 高级材料 b 0 VGS VT VT称为开启电压 在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场 排斥P区多子空穴而吸引少子电子 但由于电场强度有限 吸引到绝缘层的少子电子数量有限 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 0 VGS VT ID 0 5 高级材料 c VGS VT时此时的栅极电压已经比较强 栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子 将漏极和源极沟通 形成N沟道 如果此时VDS 0 就可以形成漏极电流ID 在栅极下方导电沟道中的电子 因与P型区的载流子空穴极性相反 故称为反型层 随着VGS的继续增加 反型层变厚 ID增加 这种在VGS 0时没有导电沟道 依靠栅源电压的作用而形成感生沟道的FET称为增强型FET VGS 0 g吸引电子 反型层 导电沟道VGS 反型层变厚 VDS ID 6 高级材料 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 a 如果VGS VT且固定为某一值 VGD VGS VDSVDS为0或较小时 VGD VGS VDS VT 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 这时 ID随VDS增大 VDS ID 7 高级材料 b 当VDS增加到使VGD VT时沟道如图所示 靠近漏极的沟道被夹断 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 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 8 高级材料 2 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 VDS ID不变 c 当VDS增加到VGD VT时沟道如图所示 此时预夹断区域加长 向S极延伸 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 9 高级材料 3 输出特性曲线 1 截止区 夹断区 VGS VT以下区域就是截止区VGS VTID 0 2 可变电阻区未产生夹断时 VDS增大 ID随着增大的区域 VGS VDS VP VDS ID 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻V I特性近似为 10 高级材料 其中 本征导电因子 为反型层中电子迁移率 为栅极氧化层单位面积电容 在特性曲线原点附近 所以可变电阻区内原点附近输出电阻为 为受控于VGS的可变电阻 11 高级材料 3 放大区产生夹断后 VDS增大 ID不变的区域 VDS VGS VTVDS ID不变处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源 在预夹断临界条件下VDS VGS VT由此得到饱和区的V I特性表达式 12 高级材料 4 转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用 gm的量纲为mA V 称为跨导 gm ID VGS VDS 13 高级材料 5 1 2N沟道耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示 制造时在栅极下方的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 14 高级材料 沟道长度调制效应MOSFET中 栅极下导电沟道预夹断后 若继续增大VDs 夹断点会略向源极方向移动 导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小 有效沟道电阻也就略有减小 从而使更多电子自源极漂移到夹断点 导致在耗尽区漂移电子增多 使iD增大 这种效应称为沟道长度调制效应 5 1 2沟道长度调制效应 15 高级材料 各种类型MOS管的特性曲线 16 高级材料 各种类型MOS管的特性曲线 17 高级材料 5 1 5MOSFET的主要参数 1 开启电压VT 在VDS为一固定数值时 能产生ID所需要的最小 VGS 值 增强 2 夹断电压VP 在VDS为一固定数值时 使ID对应一微小电流时的 VGS 值 耗尽 3 饱和漏极电流IDSS 在VGS 0时 VDS VP 时的漏极电流 耗尽 4 极间电容 漏源电容CDS约为0 1 1pF 栅源电容CGS和栅漏极电容CGD约为1 3pF 一 直流参数 18 高级材料 场效应管的主要参数 二 交流参数 1 输出电阻 不考虑沟道调制效应时为0考虑时为 19 高级材料 1 最大漏极电流IDM 2 最大漏极耗散功率PDM 3 最大漏源电压V BR DS最大栅源电压V BR GS 由V I特性估算 因为 则 三 极限参数 20 高级材料 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号 现行有两种命名方法 其一是与双极型三极管相同 第三位字母J代表结型场效应管 O代表绝缘栅场效应管 第二位字母代表材料 D是P型硅 反型层是N沟道 C是N型硅P沟道 例如 3DJ6D是结型N沟道场效应三极管 3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管 第二种命名方法是CS CS代表场效应管 以数字代表型号的序号 用字母代表同一型号中的不同规格 例如CS14A CS45G等 21 高级材料 几种常用的场效应三极管的主要参数见表 22 高级材料 5 2MOSFET放大电路 5 2 1MOSFET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 23 高级材料 5 2 1简单共源极放大电路的直流分析 步骤 直流通路 VG VS 5 2MOSFET放大电路 1假设MOS管工作于饱和区 则有VGSQ VT IDQ 0 VDSQ VGSQ VT 2利用饱和区的V I曲线分析电路 3如果出现VGS VT 则MOS管可能截至 如果VDS VGS VT 则MOS管可能工作在可变电阻区 4如果初始假设被证明是错误的 则必须作新的假设 同时重新分析电路 24 24 高级材料 5 2 1简单共源极放大电路的直流分析 1 直流通路 VGS VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VDS VDD IDRd 若NMOS工作于饱和区 则 若计算的VDS VGS VT 则说明NMOS确工作于饱和区 若VDS VGS VT 则说明工作于可变电阻区 工作于可变电阻区的ID 5 2MOSFET放大电路 25 25 高级材料 5 2 2带源极电阻的NMOS共源极放大电路 1 直流通路 VS 若NMOS工作于饱和区 则 VG VDS VDD ID Rd R 5 2MOSFET放大电路 26 26 高级材料 例 如图 设VT 1V Kn 500 A V2 VDD 5V VSS 5V Rd 10K R 0 5K Id 0 5mA 若流过Rg1 Rg2的电流是ID的1 10 试确定Rg1 Rg2的值 解 作出直流通路 并设MOS工作在饱和区 则由 即0 5 0 5 VGS 1 2 流过Rg1 Rg2的电流为0 05mA VS VG v0 得VGS 2V 27 27 高级材料 Rg2 45K Rg1 155K 判断假设的正确性 VDS VDD VSS ID Rd R 4 7V VDS VGS VT 2 1 1V 说明管子工作在饱和状态 与最初假设一致 28 28 高级材料 静态值 VGSQ IDQ VDSQ 外加信号电压波形 因为 vGS VGSQ vi 所以vGS的波形为 负载线方程 是一条过 VDD 0 和 0 VDD RD 的直线 29 29 高级材料 VGSQ IDQ 30 30 高级材料 1 NMOS管的小信号模型 工作在饱和区的漏极电流iD IDQ id gmvgs 谐波分量越小越好 一般取为0 ig 0 输入端相当于开路 id gmvgs 输出回路等效成一个电压控制电流源 gm 2Kn VGSQ VT 31 31 高级材料 场效应管输出特性表达式 求全微分 漏极与源极间等效电导 相当于输出特性曲线斜率的倒数 为无穷大 其中 为低频跨导 是转移特性曲线Q点的斜率 由该式可得到场效应管的微变等效电路 1 NMOS管的小信号模型 32 32 高级材料 因rds很大 可忽略 得简化小信号模型 可得到场效应管放大电路的微变等效电路 1 NMOS管的小信号模型 33 33 高级材料 2 场效应管放大电路的微变等效电路 首先将电容 电源短路得到交流通路 小信号模型 34 34 高级材料 1 电压放大倍数 2 输入电阻 Ri Rg1 Rg2 3 输出电阻 R0 Rd 35 35 高级材料 首先将电容 电源短路得到交流通路 小信号模型 2 输入电阻 Ri Rg1 Rg2 3 输出电阻 R0 Rd 36 36 高级材料 首先将电容 电源短路得到交流通路 小信号模型 取rds为无穷时 2 输入电阻 Ri Rg1 Rg2 3 输出电阻 37 37 高级材料 输出电阻R0的计算 vgs vT iT iR ir gmvgs 38 38 高级材料 例 Rg1 60K Rg2 40K Rd 15K VDD 5V VT 1V n 0 2mA V2 RL 15K计算IDQ VDSQ Av Ri R0 解 若管子工作在饱和区 则 0 2 2 1 2 0 2mA 可见 说明管子工作在饱和区 39 39 高级材料 gm 2Kn VGS VT 2 0 2 2 1 0 4mS Ri Rg1 Rg2 60 40 24K 3 输出电阻 R0 Rd 15K 40 40 高级材料 模型 41 高级材料 5 3结型场效应管 JunctiontypeFieldEffectTransister 5 3 1结型场效应管的结构和符号结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件 它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结 形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构 P区即为栅极g G N型硅的一端是漏极d D 另一端是源极s S 箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向 42 高级材料 5 3 2工作原理 1 VGS对导电沟道的影响 VP VGS OFF 夹断电压 栅源之间是反偏的PN结 RGS 107 所以IG 0 a VGS 0 VDS 0 ID 0 结型场效应管没有绝缘层 只能工作在反偏的条件下 N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区 P沟道的只能工作在正栅压区 否则将会出现栅流 N沟道结型场效应管工作原理 43 高级材料 c VGS VP 导电沟道被全夹断 VGS控制导电沟道的宽窄 即控制ID的大小 44 高级材料 2 VDS对iD的影响VDS 0但 VGS VDS VP 时 a VDS增加 d端电位高 s端电位低 导电沟道内存在电位梯度 所以耗尽层上端变宽 VDS ID 45 高级材料 工作原理 b VGS VDS VP 时 导电沟道在a点相遇 沟道被夹断 VGS 0时 产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS 46 高级材料 工作原理 c VDS 夹端长度 场强 ID IDSS基本不变 47 高级材料 5 3 2JFET的特性曲线 VDS 10V时的转移特性曲线 IDSS是在VGS 0 VDS VP 时的漏极电流 当 vGS vDS vP 后 管子工作在恒流区 vDS对iD的影响很小 实验证明 当 vGS vDS VP 时 iD可近似表示为 48 高级材料 输出特性曲线 恒流区 又称饱和区或放大区 特点 1 受控性 输入电压vGS控制输出电流 2 恒流性 输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响 用途 可做放大器和恒流源 条件 1 源端沟道未夹断 2 源端沟道予夹断 49 高级材料 可变电阻区 特点 1 当vGS为定值时 iD是vDS的线性函数 管子的漏源间呈现为线性电阻 且其阻值受vGS控制 2 管压降vDS很小 用途 做压控线性电阻和无触点的 闭合状态的电子开关 条件 源端与漏端沟道都不夹断 50 高级材料 夹断区 用途 做无触点的 接通状态的电子开关 条件 整个沟道都夹断 特点 51 高级材料 转