南通大学模电第五章PPT课件

.,1,第5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其电流的半导体器件。,特点：输入阻抗高、热稳定性好、噪声小、抗辐射、制造工艺简单等优点。MOSFET大规模和超大规模集成电路中占有很重要的地位。,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,.,2,5.1.1N沟道增强型（绝缘栅）MOSFET1、结构,5.1金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）,L：沟道长度,W：沟道宽度,tox：绝缘层厚度,通常WL,.,3,符号解释：虚线表示，只有在加上柵极电压后，才有导电沟道（增强型）；箭头方向表示从P指向N，由此可判断沟道类型。g,d,s分别对应于三极管的b极，c极，e极。,5.1.1N沟道增强型MOSFET（绝缘栅）1、结构,5.1金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）,剖面图,符号,绝缘栅型,.,4,2、工作原理1）VGS对工作的影响（设VDS=0）,当VGS=0时，若加上VDS0，两个PN结有一个反偏，R很大，iD=0,当VGS0（0），绝缘层平板电容强电场排斥空穴（吸引电子），留下负离子。当VGSVT时，未形成导电沟道，这时VDS0，iD=0,.,5,VT称为开启电压,2、工作原理1）VGS对工作的影响（设VDS=0）,当VGS0（0），绝缘层平板电容强电场排斥空穴（吸引电子），留下负离子。当VGSVT时，未形成导电沟道，这时VDS0，iD=0,当VGSVT，吸引足够多的电子N型薄层（反型层、感生沟道），这时若VDS0，通过感生沟道产生iD。,.,6,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGSVT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,.,7,当vGS一定（vGSVT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT,.,8,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,.,9,2.工作原理,（3）vDS和vGS同时作用时,vDS一定，vGS变化时,给定一个vGS，就有一条不同的iDvDS曲线。,.,10,.,11,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,可变电阻区vDS（vGSVT）一个受vGS控制的可变电阻,饱和区（恒流区又称放大区）,.,12,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,饱和区（恒流区又称放大区）,vGSVT，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I特性：,.,13,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（2）转移特性,.,14,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,1.结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,.,15,.,16,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,2.V-I特性曲线及大信号特性方程,（N沟道增强型）,（N沟道增强型）,.,17,5.1.3P沟道MOSFET,.,18,5.1.5MOSFET的主要参数,一、直流参数,NMOS增强型,1.开启电压VT（增强型参数）,2.夹断电压VP（耗尽型参数）,3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）,4.直流输入电阻RGS（1091015）,二、交流参数,1.输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,.,19,5.1.5MOSFET的主要参数,2.低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,.,20,5.1.5MOSFET的主要参数,作业：5.1.25.1.3,三、极限参数,1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源电压V（BR）DS,4.最大栅源电压V（BR）GS,.,21,5.2MOSFET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,.,22,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,.,23,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,才工作在饱和区。,只有满足,如果VGSVT，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,.,25,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,VDD=5V，VT=1V，,.,26,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,饱和区,需要验证是否满足,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,.,27,5.2.1MOSFET放大电路,3.小信号模型分析,（1）模型,=0时,高频小信号模型,.,28,3.小信号模型分析,解：书例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大电路分析（例5.2.5）,s,.,29,3.小信号模型分析,（2）放大电路分析（例5.2.5）,s,.,30,3.小信号模型分析,（2）放大电路分析（例5.2.6）,共漏,.,31,3.小信号模型分析,（2）放大电路分析,end,.,32,5.3结型场效应管,5.3.1JFET的结构和工作原理,5.3.2JFET的特性曲线及参数,5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法,.,33,5.3.1JFET的结构和工作原理,1.结构,#符号中的箭头方向表示什么？,.,34,2.工作原理,vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。,对于N沟道的JFET，VP0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。,.,35,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,ID,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,.,36,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,vGS和vDS同时作用时,当VPvGS0时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS，ID的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS=VP,.,37,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。,.,38,5.3.2JFET的特性曲线及参数,2.转移特性,1.输出特性,.,39,与MOSFET类似,3.主要参数,5.3.2JFET的特性曲线及参数,.,40,5.3.3FET放大电路的小信号模型分析法,1.FET小信号模型,（1）低频模型,.,41,（2）高频模型,.,42,2.动态指标分析,（1）低频小信号模型,.,43,2.动态指标分析,（2）低频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略rds，,由输入输出回路得,则,end,.,44,5.5各种场效应管的比较从转移特性看N/P沟道、耗尽/增强型FET管的开启电压/夹断电压及栅极偏置。,.,45,使用注意事项：1）衬底的连接：P沟道高电位；N沟道低电位；常将源极和衬底相连。2）对FET，一般D、S可互换；若衬底与源极已连接在一起，则不能互换。3）JFET的栅压不能接反，可开路保存；而绝缘栅型需各极间短路保存。4）MOS管在焊接时须注意外电场的影响，（烙铁断电后再焊接）。,.,46,小结：FET使用中应记住：栅压控制、基本无栅流，以及各种类型的VGS和VDS的极性和电压范围。VDS的极性取决于导通沟道的类型：N沟道VDS0；P沟道VDS0。VGS的极性取决于工作方式和导电沟导类型：J型：N沟道VGS0；P型VGS0MOS管：耗尽型VGS0或VGS0；增强型：N沟道VGSVT；P沟道VGSVT增强型的MOS管VGS与VDS同极性；耗尽型的MOS管的VGS与VD