第三章场效应管及其应用(电气)..ppt

1 第三章场效应管及其应用 3 0引言3 1结型场效应管3 2绝缘栅型场效应管3 3各种场效应管特性的比较3 4场效应管放大器3 5场效应管的其它应用 2 3 2结型场效应管 1 结型场效应管的结构和类型2 工作原理 以N沟道JFET为例3 转移特性曲线4 主要参数 3 1 结型场效应管的结构和类型类型 N沟道JFETP沟道JFET 3 2结型场效应管 结构 在一块掺杂浓度较低的N型硅片两侧 制作两个高浓度的P区 形成两个P区 用P 表示 把它连接在一起 引出一个电极为栅极g 中间N型半导材料两端各引出一个电极分别叫源极s和漏极d s d极可以互换使用 中间的N区域流过电流 所以称为导电沟道 g s d三个极分别与三极管b e c极相对应 符号图中的箭头表示由P区 栅极 指向N区 沟道 的方向 P P 耗尽层 g Gate d Drain N N沟道JFET s Source N沟道 4 2 工作原理 以N沟道JFET为例 N沟道JFET的偏置电路 UGG 使栅源之间的PN结反偏并产生UGS UDD 产生UDS 并引起iD 1 UGS 0V时 沟道面积最宽 因此此时的漏极电流iD最大 iD iDSS P P 耗尽层 5 2 工作原理 以N沟道JFET为例 2 0 uGS uGS off 栅源之间加上负的栅压UGG后 两个PN结均为反偏 空间电荷区变宽 N沟道面积变窄 iD减少 改变uGS的大小 可以控制iD的大小 若把待放大的信号ui加在UGG之上 当ui下降 uGS反压增加 耗尽层变宽 沟道变窄 则iD减少 反之亦然 耗尽层是上宽下窄 这是因为在uGS和uDS的作用下 g d方向的反向偏压比g s方向的反向偏压高出uDS的大小 所以导电沟道呈现为倒楔形 P P 耗尽层 6 2 工作原理 以N沟道JFET为例 P P 耗尽层 3 uGS UGS off 当uGS负到一定程度时 两侧的耗尽区逐渐变宽而合拢 使导电沟道消失 iD为0 我们将此时的uGS称为夹断电压UGS off 7 它是研究当uDS 常数时 iD与uGS之间的关系曲线 用函数式表示为 1 uGS 0 iD IDSS电流最大 2 uGS越负 iD越小 3 uGS UGS off 时 iD 0用公式表示 3 转移特性曲线 共源极放大电路 8 3 转移特性 3 uGS V iD mA O uDS V uGS 3V 2V 1V 0V O iD mA 可变电阻区 截止区 放大区 击穿 图1 42N沟道JFET的伏安特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 1 uGS 0 iD IDSS电流最大 2 uGS越负 iD越小 3 从图中可以看出UGS off 3 5 4 uGS UGS off 时 iD 0用公式表示 3 5 UGS off IDSS 9 4 漏极特性曲线 图1 41共源极放大电路 它是研究当uGS 常数时 iD与uDS之间的关系曲线 用函数表示为 10 UGS off 4 漏极特性曲线 UGS off IDSS 3V uGS V iD mA O uDS V uGS 3V 2V 1V 0V O IDSS iD mA 可变电阻区 截止区 放大区 击穿 图1 42N沟道JFET的伏安特性曲线 a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 1 可变电阻区uDS较小时 沟道的面积主要由uGS决定 当uGS一定时 沟道的面积和形状几乎不变 此时iD随uDS的增加而线性增加 JFET可以看成一个受uDS电压控制的可变电阻 一般为几百欧姆 所以本区称为可变电阻区 2 放大区 JFET管的放大区又称为饱和区 A 因为uDS较大 导电沟道呈倒楔形 当uGS不变时 随着uDS的增加 g d方向的反向偏压高于g s方向 因此靠近漏极的两个耗尽区率先合拢 叫做预夹断 2 放大区 JFET管的放大区又称为饱和区 B 随着uDS的增加 合拢部分逐渐向下延伸 使沟道电阻变大 此时iD几乎不随uDS增加而变化 曲线平坦 所以此区称为饱和区 或恒流区 3 截止区当栅压很负 在uGS UGS off 时 导电沟道完全被夹断 沟道电阻几乎为无穷大 iD 0 4 击穿区当uDS很高 可以使栅漏之间的PN结承受过高的反向电压而击穿 此时iD突然变大 造成管子的破坏性 3 5V 11 4 主要参数 1 直流参数A 夹断电压UGS off 当uDS为某一固定数值时 使iD为0或一个微小电流 如1 A或10 A 所对应的uGS称为夹断电压UGS off B 漏极饱和电流IDSS 在uGS 0v的条件下 当 UDS UGS off 时的沟道电流称为IDSS C 直流输入电阻Rgs 漏源之间短路条件下 栅源之间的电压UGS和栅极电流Ig之比一般Rgs 107 这是一个相当大的数值 12 4 主要参数 2 交流参数当uDS为某一固定值的条件下 漏极电流的变化量 iD和栅源电压变化量 UGS之比 称为低频跨导 这个参数表示UGS对iD的控制能力的大小 其单位是 S A V 或mS mA V g的大小一般在0 1 十几mS之间 或 13 4 主要参数 3 极限参数主要有漏源击穿电压U BR DS 栅源击穿电压U BR GS 最大漏极耗散功率PDM等 14 3 3绝缘栅场效应管 IGFET InsulatedGateFieldEffectTransistor IGFET是目前应用最广泛的金属 氧化物 半导体 Metal Oxide Semiconductor 绝缘栅场效应管 简称为MOSFET或MOS管 因为它的栅极处于绝缘状态 所以叫绝缘栅场效应管 它是利用半导体表面的电场效应工作的 也称为表面场效应器件 MOS管输入电阻更高 可达1015 以上 并且便于集成 是目前发展很快的一种器件 15 1 N沟道增强型MOS场效管 绝缘栅场效应管也有N沟道和P沟道两种 每一种又分为增强型和耗尽型两种 下面以N沟道增强型MOS场效管为例 来说明它的工作原理 1 结构与电路符号 P型衬底 掺杂浓度低 用扩散的方法制作两个N区 在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层 用金属铝引出源极S和漏极D 在绝缘层上喷金属铝引出栅极G S 源极Source G 栅极Gate D 漏极Drain 耗尽层 a 增强型NMOSFET的结构 b 增强型NMOSFET的电路符号 c 增强型PMOSFET的电路符号 a b c 箭头方向是表示由P 衬底 指向N 沟道 符号中的断线表示当uGS 0时 导电沟道不存在 16 2 增强型NMOS管的工作原理 衬底引线 A 当uGS 0v 如图所 NMOS管相当于在N与P衬底之间形成两个背靠背串联的PN结 所以iD 0 耗尽层 17 2 增强型NMOS管的工作原理 耗尽层 B 加正的uGS如图所示 加UGG正电压后 在g与衬底之间产生如图示的电场 在这个电场作用下 产生反型层 它将两个N区连接在一起 形成N型导电沟道 加外加电压UDD uDS 产生漏极电流iD 在刚刚产生iD时所对应的UGS称为开启电压 记为UGS th 因为g d方向比g s方向的电位差小 因此靠近漏极附近导电沟道窄 当uDS较小时 uDS增加 iD也随之增加 N型反型层 18 2 增强型NMOS管的工作原理 N型反型层 夹断点 当uDS继续增加时 g d方向电压逐渐下降到小于开启电压 使导电沟道靠漏极处会被夹断 此时继续增加uDS 夹断点将向源极扩展 沟道电阻增加 iD几乎不随uDS而变化 19 可变电阻区 3 转移特性和输出特性 UGS th uGS V iD mA O uDS V uGS 3V 4V 5V O iD mA 截止区 放大区 击穿 uDS 10V A 当uGS UGS th 时 iD 0 B 当uGS UGS th iD随uGS增大而增大 因此称为增强型的场效应管 C 用公式表示 iD K uGS UGS th 2 uGS UGS th 如UGS th 2V 当uGS 5V时 iD 3mA 可求出K 0 333mA V2 UGS th 2V D 从图中可以看出这个管子的开启电压UGS th 为2V 所以当uGS 2V时 才开始产生iD电流 E 它的漏极特性也分为可变电阻区 放大区 截止区和击穿区 20 4 主要参数 绝缘栅场效应管的参数和结型场效应管基本相同 不同点在于 A 绝缘栅增强型场效应管存在开启电压UGS th 不用夹断电压UGS off B 绝缘栅增强型场效应管当uGS 0时 iD 0 所以不存在IDSS这一参数 C 绝缘栅增强型场效应管直流输入电阻RGS 1016 而结型场效应管RGS只有1010 左右 21 2 N沟道耗尽型MOS场效应管 N沟道耗尽型MOS场效应管与N沟道增强型MOS场效管工作原理类似 不同点在于 只不过在uGS 0时 已经有了导电沟道 也就是在uGS 0时 在外加UDD的作用下已经可以产生漏极电流iD 耗尽型NMOS管的结构如图 箭头方向是表示由P 衬底 指向N 沟道 符号中的实线表示零栅压时 管子已有导电沟道 P型衬底 掺杂浓度低 S G 耗尽层 a D 3 之所以称为耗尽型 是因为当UGS为负 将使沟道中感应电荷减少 即耗尽的意思 从而使iD减少 耗尽型MOS场效应管也有夹断电压UGS off 和漏极饱和电流IDSS的概念 1 在制造管子中 已经在SiO绝缘层中掺入大量的正离子 在uGS 0时 可以吸引自由电子 形成反型层 N沟道 加上UDD时 可以产生iD 2 当uGS减少 为负 iD减少 当uGS增加 为正 iD增加 所以耗尽型MOS管可以负栅压 零栅压和正栅压下工作 22 3 场效应管使用注意事项 1 不要使栅极悬空 即使不用时 也要用金属导线将三个电极短接起来 焊接时 应把电烙铁断开电源后再行焊接 以免感应击穿栅极 2 结型场效应管栅压不能接反 否则PN结正偏 栅流过大 使管子损坏 3 可以用万用表测结型场效应管的PN结正 反电阻 但绝缘栅管不能用万用表直接去测三个电极 应该用接地良好的专门仪器才能测试管子的好坏 4 场效应管S和D极可以互换使用 但有些产品出厂时 已把S极和衬底连在一起 这时D S就不能互换 23 场效应管与三极管的特点比较 1 晶体三极管BJT是电流控制元件 用iB控制iC 场效应管FET是电压控制元件 用uGS去控制iD gm较小 其放大能力远低于晶体三极管 2 场效应管是用电场效应来工作的 RGS大 而晶体三极管RB的较低 3 三极管是双极型器件 场效应管是单极型器件 4 场效应管制造工艺简单 便于集成 24 3 4各种场效应管特性的比较 s g d iD s g d iD 0uDS V iD mA uGS 0v 1v 3v uGS V iD mA 3v0 IDSS 结型场效应管 沟道 沟道 P N uGS V iD mA 3v IDSS UP UP 0 25 增强绝缘栅场效应管 沟道 沟道 P N OuDS V iD mA uGS 6V 5V 4V 3V s g d 衬底 iD s g d 衬底 iD VT O uGS v iD mA uGS v iD mA 3 4各种场效应管特性的比较 O VT 26 耗尽型绝缘栅场效应管 沟道 沟道 P N s g d 衬底 iD iD s g d 衬底 uGS V iD mA VPO uGS V iD mA O IDSS IDSS 3 4各种场效应管特性的比较 VP IDSS 27 3 5场效应管放大器 3 5 1场效应管的直流偏置电路与静态分析3 5 2交流分析 28 3 5场效应管放大电路 场效应管具有输入阻抗高 低噪声等特点 所以往往作为多级放大电路的输入级与三级管电路相类似 场效应管放大电路也有三种组态共源极放大电路 CS CommonSource 共漏极放大电路 CD CommonDrain 共栅极放大电路 CG CommonGate 29 3 5 1场效应管的直流偏置电路与静态分析 三极管是电流控制元件 所以需要合适的偏流以IB来控制IC 场效应管是电压控制元件 所以需要合适的偏压以UGS来控制ID IBQUBEQ 0 7vICQUCEQ UDIDS其中IG 0UGS 静态值 静态值 30 3 5 1场效应管的直流偏置电路与静态分析 1 直流偏置电路 1 自给偏压电路A 原理 当UGS 0时 也有ID流过RS 产生UGS ISRS IDRS 由于这个偏压是靠管子自己产生的电流ID产生的 因此叫自给偏压 自给偏压只能产生反向偏压 所以只适合耗尽型 而不适合于增强型的场效应管 自给偏压电路 31 3 5 1场效应管的直流偏置电路与静态分析 2 分压式偏置电路自给偏压偏置电路 只适合耗尽型 而不适合于增强型的场效应管 只能采用下面的分压式偏置电路 32 2 分压式偏置电路 Rg上没有电流 IG 0 分压式偏压电路 33 2 静态工作点的计算 1 对耗尽型管子 结型场效应管也属于耗尽型管子 有ID IDSS 1 UGS UGS off 2UDS UDD IS RS RD 联立求解 即可得到静态工作点的电流和电压值 3 5 1场效应管的直流偏置电路与静态分析 分压式偏压电路 34 3 例2 7图2 43电路的参数如下 Rg1 2m Rg2 47k Rg3 10m Rd 30k Rs 2k Cs 10 F C1 C2 0 01 F UDD 18V 场效应管3D01的参数为UGS off 1V IDSS 0 5mA 试确定该电路的静态工作点 35 2 7 2交流分析 1 场