《电工学场效应》PPT课件.ppt

15 9场效应三极管 场效应管 一种载流子参与导电 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管 又称单极型三极管 场效应管分类 结型场效应管 绝缘栅场效应管 特点 单极型器件 一种载流子导电 输入电阻高 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 2 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 耗尽型 场效应管分类 3 15 9 1绝缘栅型场效应管MOSFETMetal OxideSemiconductorFieldEffectTransistor 由金属 氧化物和半导体制成 称为金属 氧化物 半导体场效应管 或简称MOS场效应管 特点 输入电阻可达1010 以上 类型 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 UGS 0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管 UGS 0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管 4 一 N沟道增强型MOS场效应管 结构 B G S D 源极S 漏极D 衬底引线B 栅极G 图N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图 5 1 工作原理 绝缘栅场效应管利用UGS来控制 感应电荷 的多少 改变由这些 感应电荷 形成的导电沟道的状况 以控制漏极电流ID 2 工作原理分析 1 UGS 0 漏源之间相当于两个背靠背的PN结 无论漏源之间加何种极性电压 总是不导电 6 2 UDS 0 0 UGS UGS th 栅极金属层将聚集正电荷 它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴 形成由负离子组成的耗尽层 增大UGS耗尽层变宽 VGG 3 UDS 0 UGS UGS th 由于吸引了足够多P型衬底的电子 会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层 反型层 N型导电沟道 UGS升高 N沟道变宽 因为UDS 0 所以ID 0 UGS th 或UT为开始形成反型层所需的UGS 称开启电压 7 4 UDS对导电沟道的影响 UGS UT 导电沟道呈现一个楔形 漏极形成电流ID 可变电阻区 b UDS UGS UT UGD UT 靠近漏极沟道达到临界开启程度 出现预夹断 预夹断 c UDS UGS UT UGD UT 由于夹断区的沟道电阻很大 UDS逐渐增大时 增大部分全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力 iD因而基本不变 恒流区 a UDSUT 8 图UDS对导电沟道的影响 a UGD UT b UGD UT c UGD UT 在UDS UGS UT时 对应于不同的uGS就有一个确定的iD 此时 可以把iD近似看成是uGS控制的电流源 9 3 特性曲线与电流方程 a 转移特性 b 输出特性 UGS UT iD 0 UGS UT 形成导电沟道 随着UGS的增加 ID逐渐增大 当UGS UT时 三个区 可变电阻区 恒流区 或饱和区 夹断区 图 a 图 b 10 二 N沟道耗尽型MOS场效应管 制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子 这些正离子电场在P型衬底中 感应 负电荷 形成 反型层 即使UGS 0也会形成N型导电沟道 UGS 0 UDS 0 产生较大的漏极电流 UGS 0 绝缘层中正离子感应的负电荷减少 导电沟道变窄 iD减小 UGS UP 感应电荷被 耗尽 iD 0 UP或UGS off 称为夹断电压 负值 11 N沟道耗尽型MOS管特性 工作条件 UDS 0 UGS正 负 零均可 耗尽型MOS管的符号 N沟道耗尽型MOSFET 12 三 P沟道MOS管 1 P沟道增强型MOS管的开启电压UGS th 0当UGS UGS th 漏 源之间应加负电源电压管子才导通 空穴导电 2 P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS off 0UGS可在正 负值的一定范围内实现对iD的控制 漏 源之间应加负电源电压 四 VMOS管 VMOS管漏区散热面积大 可制成大功率管 13 场效应管的主要参数 一 直流参数 饱和漏极电流IDSS 2 夹断电压UP或UGS off 3 开启电压UT或UGS th 4 直流输入电阻RGS 为耗尽型场效应管的一个重要参数 为增强型场效应管的一个重要参数 UGS 0情况下产生预夹断时的漏极电流 为耗尽型场效应管的一个重要参数 输入电阻很高 结型场效应管一般在107 以上 绝缘栅场效应管更高 一般大于109 14 二 交流参数 1 低频跨导gm受控源参数 2 极间电容 用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用 单位 iD毫安 mA uGS伏 V gm毫西门子 mS 这是场效应管三个电极之间的等效电容 包括Cgs Cgd Cds 极间电容愈小 则管子的高频性能愈好 一般为几个皮法 15 跨导gm ID UGS 3 2 1 0 1 1 1mA V 16 三 极限参数 3 漏极最大允许耗散功率PDM 2 漏源击穿电压U BR DS 4 栅源击穿电压U BR GS 由场效应管允许的温升决定 漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS 场效应管工作时 栅源间PN结处于反偏状态 若UGS U BR GS PN将被击穿 这种击穿与电容击穿的情况类似 属于破坏性击穿 1 最大漏极电流IDM 17 场效应管放大电路小结 1 场效应管放大器输入电阻很大 2 场效应管共源极放大器 漏极输出 输入输出反相 电压放大倍数大于1 输出电阻 RD 3 场效应管源极跟随器输入输出同相 电压放大倍数小于1且约等于1 输出电阻小 18 晶体管 场效应管 结构 NPN型 PNP型 结型耗尽型N沟道P沟道 绝缘栅增强型N沟道P沟道 绝缘栅耗尽型N沟道P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子多子扩散少子漂移多子运动 输入量电流输入电压输入 控制 电流控制电流源CCCS 电压控制电流源VCCS gm 场效应管与晶体管的比较 19 噪声较大较小 温度特性受温度影响较大较小 可有零温度系数点 输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上 静电影响不受静电影响易受静电影响 集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成 晶体管 场效应管 20 15 9 2场效应管放大电路 1 电路的组成原则及分析方法 1 静态 适当的静态工作点 使场效应管工作在恒流 ID 区 2 动态 能为交流信号提供通路 组成原则 分析方法 21 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管符号及特性曲线 22 跨导gm ID UGS id gmugs 23 2场效应管的微变等效电路 24 场效应管的微变等效电路 压控电流源 VCCS 流控电流源 CCCS 对照 25 3场效应管放大电路 注 栅极无电流UGS RSIS RSIDUDS UDD RDID RSIS UDD ID RD RS 电路中元件作用 RG 栅极电阻RS 源极电阻RD 漏极电阻CS 源极旁路电容 SEEP82 思考 自给偏压共源极放大电路动静态分析 26 RL uo C2 思考 自给偏压共源极放大电路动静态分析 SEEP82 27 4分压式偏置电路静态分析 无输入信号时 ui 0 估算 UDS和ID uo R1 200k R2 51k RG 1M RD 10k RS 10k RL 10k gm 1 5mA VUDD 20VIDSS 0 9mAUGS off 4V P84例 28 IG 0 直流通道 计算得 29 动态分析 微变等效电路 30 动态分析 电压放大倍数 负号表示输出输入反相 31 电压放大倍数估算 1 5 10 10 7 5 R1 200k R2 51k RG 1M RD 10k RS 10k RL 10k gm 1 5mA VUDD 20VIDSS 0 9mAUGS off 4V 32 ro RD 10K 输入电阻 输出电阻 1 0 2 0 051 1 0407M ri RG R1 R2 R1 200k R2 51k RG 1M RD 10k RS 10k RL 10k gm 1 5mA VUDD 20VIDSS 0 9mAUGS off 4V 33 5源极输出器 R1 200k R2 51k RG 1M RD 10k RS 10k RL 10k gm 1 5mA VUDD 20VIDSS 0 9mAUGS off 4V 34 静态工作点 计算得 IG 0 35 微变等效电路 36 微变等效电路 Uo Id RS RL gmUgsRL 37 求ri ri RG R1 R2 38 求ro 加压求流法 39 ri RG R1 R2 UDD 20V 1 5 10 10 1 1 5 10 10 0 88 10 1 1 5 10 0 625k 代入数值计算 1 0 2 0 051 1 0407M R1 200k R2 51k RG 1M RD 10k RS 10k RL 10k gm 1 5mA V 40 例 电路如图1所示 其中管子T的输出特性曲线如图2所示 试分析ui为0V 8V和10V三种情况下uo分别为多少伏 图1 图2 分析 N沟道增强型MOS管 开启电压UGS th 4V 41 解 1 ui为0V 即uGS ui 0 管子处于夹断状态 所以u0 VDD 15V 2 uGS ui 8V时 从输出特性曲