模电第五章场效应管.ppt

定义：,场效应管是一种利用半导体内的电场效应来控制其电流大小的半导体器件。,分类：,场效应管（FET）,结型（JFET）,绝缘栅型（MOSFET）,P沟道JFET,N沟道JFET,N沟道MOSFET,P沟道MOSFET,耗尽型D,耗尽型D,增强型E,（耗尽型）,增强型E,51金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）,5.1.1N沟道增强型MOSFET,1、结构和符号,N沟道增强型,N沟道耗尽型,2、工作原理（N沟道增强型）,（1）、VGS=0，没有导电沟道,源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，无论VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的。因此漏源之间的电阻很大，即没有导电沟道，iD0。,2、工作原理（N沟道增强型）,（2）、VDS=0，VGS对导电沟道的影响,VGSVT时，导电沟道开始形成,这种依靠栅源电压的作用才形成导电沟道的FET称为增强FET。,在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压VGS叫做开启电压VT,VGDVT,VGD=VT,VGDVT时相似，可形成导电沟道。当外加VGS0时，使沟道变宽，VGS0时，使沟道变窄，从而使漏极电流减小。当VGS减小到某值时，以致感应的负电荷消失，耗尽,区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏源电压，也不会有漏极电流。此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）VP。,在饱和区内，,5.1.2N沟道耗尽型MOS管,2、特性曲线,在饱和区内，,/V,IDSS为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。,5.1.3P沟道MOSFET管,1、结构和符号,对增强型MOS管，沟道产生的条件是：,可变电阻区与饱和区的界线为:,在饱和区内（iD假定正向为流入漏极）：,PMOS管正常工作时，VDS和VT必为负值，电流方向与NMOS管相反。,5.1.4沟道长度调制效应,在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，漏极电流与漏极电压无关。而实际MOS管的输出特性还应考虑沟道长度调制效应，即VGS固定，VDS增加时，iD会有所增加。输出特性的每根曲线会向上倾斜。因此，考虑到沟道长度调制参数，iD式子应修正为,（1）开启电压VT:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微小电流（如50A）时的VGS。这是增强型FET的参数。（2）夹断电压VP:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微小电流（如20A）时的VGS。这是耗尽型FET的参数。（3）饱和漏极电流IDSS:VGS=0且VDSVP时对应的漏极电流。常令VDS10V，VGS=0测出的iD就是。这是耗尽型FET的参数。（4）直流输入电阻RGD:漏源间短路，栅源间加一定电压时的栅源直流电阻，MOS管的RGS可达1091015。,一、直流参数,二、交流参数,（1）输出电阻:,5.1.5MOSFET的主要参数（见P208210）,当不考虑沟道的调制效应（0）时，当考虑沟道的调制效应（0）时，对增强型MOS管可导出,因此，是一个有限值，一般在几十千欧到几百千欧之间。,（2）低频跨导gm:低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。对N沟道增强型MOSFET管，可利用5.1.6和5.1.17式近似估算,考虑到和,上式又可改写为,上式表明，iD越大，gm愈大。,三、极限参数,（1）最大漏极电流IDM,（2）最大漏源电压V（BR）DS,（3）最大栅源电压VGS（BR）,（4）最大耗散功率PDM,表5.1.1还列出了另外的几个主要参数。,52场效应管放大电路,一、直流偏置电路及静态分析,1、直流偏置电路,（1）简单的共源放大电路,（N沟道增强型MOS管）,假设管的开启电压为VT，NMOS管工作于饱和区，则,见例5.2.1,综上分析，对于N沟道增强型MOS管的直流计算，可采取如下步骤：,设MOS管工作于饱和区，则有,VGSQVT，IDQ0,且VDSQ（VGSQVT）.,利用饱和区的电流电压关系曲线分析电路。,如果出现VGSQVT，则MOS管可能截止，如果VDSQ（VGSQVT），则MOS管可能工作在可变电阻区。,如果初始假设被证明是错误的，则必需作出新的假设，同时重新分析电路。,P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但要注意其电源极性与电流方向不同。,（2）带源极电阻的NMOS共源放大电路,由图得,当NMOS管工作于饱和区，则有,见例5.2.2和例5.2.3,1、直流偏置电路,图5.2.3,例5.2.3如图已知NMOS管参数：VT=1V,Kn=160A/V2,VT=1V,Kn=160A/V2,VDD=VSS=5V,IDQ=0.25mA,VDQ=2.5V,试求电路参数。,解：首先假设管工作于饱和区，运用下式,求得,则,计算,计算是否满足饱和条件：,确定分析正确与否。,（3）静态工作点的确定,联立方程求解得UGSQ和IDQ。,实际N沟道增强型MOS管放大电路分析：,2、图解分析,与BJT放大电路的图解分析类似。先求VGS，然后作直流负载线，其与输出特性VGS曲线的交点即为静态工作点。然后作交流负载线，即可分析其动态情形。教材上的电路是特例，VGS已知，直流负载线与交流负载线相同。,图5.2.4,3、小信号模型分析,如果输入信号很小，场效应管工作在饱和区时，和BJT一样，将场效应管也看作一个双口网络，对N沟道增强型场效应管，可近似看成iD不随VDS变化，则由5.1.6式得,式中第一项为直流或静态工作点电流IDQ;,第二项是漏极信号电流id，它同vgs是线性关系；根据5.1.18式，,第三项当vgs是正弦波时，输出电压将产生,谐波或非线性失真。我们要求第三项必需远小于第二项，即,这也就是线性放大器必需满足的小信号条件。,据此，忽略第三项可得,考虑到NMOS管的栅流为0，栅源间的电阻很大，可看成开路，而因此可得NMOS管的低频小信号模型：,3、小信号模型分析,考虑0场效应管的输出电阻rds为有限值时，其低频模型如右模型b,3、小信号模型分析,在Vbs=0时，可得高频小信号模型如下，图中rgs可看作无限大，可忽略。,对于后面介绍的结型场效应管，其低频和高频小信号模型分别对应于如上的低频模型图b和高频模型。具体应用见例5.2.4-5.2.6,例5.2.5,例5.2.6,3、三种基本放大电路的性能比较,(见P221表5.2.1),5.3结型场效应管,结构,工作原理,输出特性,转移特性,主要参数,5.3.1JFET的结构和工作原理,5.3.2JFET的特性曲线及参数,53结型场效应管（JFET）,N沟道JFET结构和符号,1、结构与符号,P沟道JFET符号,一、JFET的结构和工作原理,JFET是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示,5.3.1JFET的结构和工作原理,1.结构,#符号中的箭头方向表示栅结正向偏置时，栅极电流的方向是由P指向N。,(1)、vDS=0，vGS对导电沟道的影响,2、工作原理（以N沟道为例，工作时vGS必需为负）,vGS由0变负，由左至右依次变得更负,上述分析表明，改变的vGS大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若在漏源极间加上固定的正向电压vDS，则由漏极流向源极的电流iD将受的vGS控制，vGS增大时，沟道电阻增大，iD减少。vGS进一步增大到某一定值VP时，沟道全部被夹断，沟道电阻将趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压VP。,(2)、vGS=0，vDS对导电沟道的影响,A即,(3)、vDS0，vGS对导电沟道的影响,A,(a),(b),(c),(d),A点处：,上述分析表明，增加vDS，楔形导电沟道又阻碍漏极电流iD的提高，但在vDS较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻碍的因素是次要的，故iD随vDS升高几乎成比例地增大，构成输出特性曲线的上升段。,当vDS增加到两耗尽层在A点相遇时，称为预夹断，此时A点耗尽层两边的电位差vGD用夹断电压VP来描述。在预夹断点A处，有如下关系：,当时，有,沟道一旦在A点预夹断后，随着vDS升高,夹断长度会增加，亦即A点将向源极方向延伸。但从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本不随vDS改变而变化，所以，iD不随vDS升高而上升，漏极电流趋于饱和。,如果栅源间接一可调负电源，由于栅源电压愈负，耗尽层愈宽，沟道电阻就愈大，相应的iD就愈小。因此改变栅源电压可得一族曲线。,2.工作原理,VGS对沟道的控制作用,当VGS0时,（以N沟道JFET为例）整体理解,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。,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,VGS和VDS同时作用时,当VPUG；对N沟道增强型管，UGS0，所以IDRSUG。,2.分压式自偏压电路,使漏源电压为负,关键是记住,其余指标求解与上例同,534试在具有四象限的直角坐标上分别画出各种类型FET(包括N沟道、P沟道MOS增强型和耗尽型，JFETP沟道、N沟道耗尽型）转移特性示意图，并标明各自的开启电压或夹断电压。解：各类场效应管转移特性的示意图如图解5.3.4所示：、,535四个FET的转移特性分别如图题5.3.5a,b,c,d所示，其中漏极电流iD的假定正向是它的实际方向。试问它们各是哪种类型的FET?,-4,511图题511所示为MOSFET的转移特性，请分别说明各属于何种沟道。如是增强型，说明它的开启电压VT?如是耗尽型，说明它的夹断电压VP?(图中iD的假定正向为流进漏极),-4,解：由图题511可见图a为N沟道耗尽型MOSFET，其VP=3V；图b为P沟道耗尽型MOSFET，其VP=2V；图c为P沟道增强型MOSFET，其VT=4V。,5.2.8电路如图题5.2.8所示，设场效应管的参数为gm1=1mS，gm20.2mS，且满足1gm1rds1和1gm2rds2，试求AV=VO/Vi,图题5.2.8,图题5.2.8,对T2，从S2看进去的等效电阻设为R，求的电路为,图题5.2.8,5.2.8电路如图题5.2.8所示，设场效应管的参数为gm1=1mS，gm20.2mS，且满足1gm1rds1和1gm2rds2，试求AV=VO/Vi,图解5.2.8,5.2.8电路如图题5.2.8所示，设场