场效应管及其放大电路演示幻灯片

1,第四章场效应管及其放大电路,2,场效应管根据结构不同分为哪两大类？何谓耗尽型？何谓增强型？VP夹断电压和VT开启电压分别是何种类型场效应管的重要参数之一？场效应管有哪三个电极？和BJT管如何对应？场效应管的两个电压VGS和VDS分别起何主要作用？场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作在哪个区？为什么？场效应管是双极型？单极型？电压控制器件还是电流控制器件？它的输入电阻如何？（与BJT对比）根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置Q点？,场效应管的基本问题,3,场效应管是电压控制器件。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。,本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。由于学时数少，又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大电路比较，了解相同点，掌握不同点。,4,三极管特点,电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）,输入阻抗不高,双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）,噪声高,场效应管特点,电压控制器件（用电压产生电场来控制器件的导电能力）故称为FieldEffectTransistor,输入阻抗极高,单极型器件（一种载流子：多子参与导电）,噪声小,缺点速度慢,5,图解法，估算法，微变等效电路法,6,场效应三极管（FET）,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管（JFET）,绝缘栅场效应管（MOSFET）,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；（1071015）,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、噪声低、成本低等。,7,N沟道（相当于NPN）,P沟道（相当于PNP）,增强型,耗尽型,N沟道（NPN）,P沟道（PNP）,N沟道（NPN）,P沟道（PNP）,（耗尽型）,FET分类：,8,符号,结型场效应管（JFET）,一、结构,图N沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。,9,P沟道场效应管,图P沟道结型场效应管结构图,P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。,10,N沟道,MOSFET,耗尽型,增强型,P沟道,N沟道,P沟道,绝缘栅型场效应管的类别,4.3绝缘栅型场效应管（MOSFET）,结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W，在使用中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管又称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高输入电阻，可高达1015W。且有制造工艺简单、适于集成等优点。,增强型MOS管在vGS=0时，无导电沟道。耗尽型MOS管在vGS=0时，已有导电沟道存在。,11,N+,S,G,D,N+,以P型半导体作衬底,SiO2保护层,Al金属电极,从衬底引出电极,两边扩散两个高浓度的N区,Al金属电极,Al金属电极,N沟道增强型MOSFET,12,N+,S,G,D,N+,半导体Semiconductor,氧化物Oxide,金属Metal,表示符号,MOSFET,13,P沟道增强型MOSFET的结构,表示符号,14,N+,S,G,D,N+,N沟道增强型MOSFET的工作原理,+,+,与JFET相似，MOSFET的工作原理同样表现在：栅压vGS对沟道导电能力的控制，漏源电压vDS对漏极电流的影响。,15,N+,S,G,D,N+,N沟道增强型MOSFET的工作原理,+,+,(1)vGS对沟道的控制作用,当vGS=0时，漏源极间是两个背靠背的PN结，无论漏源极间如何施加电压，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，将不会有漏电流出现iD0。,16,N沟道增强型MOSFET的工作原理,vDS=0,vGS增加，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。,N+,S,G,D,N+,+,+,开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用VT表示。,导电沟道增厚沟道电阻减小,17,N+,S,G,D,N+,N沟道增强型MOSFET的工作原理,+,+,(1)vGS对沟道的控制作用,vDS=0,当vGSVT时，电场增强将P衬底的电子吸引到表面，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，称为反型层,形成导电沟道,出现反型层,且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道。,18,N沟道增强型MOSFET的工作原理,综上所述：,N沟道MOS管在vGSVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。,这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。,只有当vGSVT时，方能形成沟道。,N+,S,G,D,N+,+,+,沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。,19,MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述,MOSFET的特性曲线,输出特性,转移特性,输出特性当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系。,与BJT类似，输出特性曲线也分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。,20,输出特性,MOSFET的特性曲线,2,4,0,6,10,20,可变电阻区,放大区,截止区,击穿区,21,0,2,4,0,6,10,20,转移特性曲线,输出特性曲线,MOSFET的特性曲线,22,耗尽型NMOS管,1).耗尽型NMOS管结构示意图,耗尽型NMOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟道消失，而增强型NMOS管在vGSVT时才出现导电沟道。,23,耗尽型NMOS管,1).耗尽型NMOS管结构示意图,N沟道耗尽型MOS管符号,P沟道耗尽型MOS管符号,24,耗尽型MOS管,N沟道耗尽型MOS管当vGS为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，用VP表示。,2).耗尽型MOS管原理,25,耗尽型MOS管,在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即,3).耗尽型MOS管电流方程（增强型MOS管见书）,26,场效应管与三极管的性能比较,1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其跨导gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB控制iC。3场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。,27,场效应管与三极管的性能比较,4场效应管多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低噪声放大电路的输入级应选用场效应管。5场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。6场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。,28,符号,结型场效应管,一、结构,图N沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。,29,P沟道场效应管,图P沟道结型场效应管结构图,P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。,30,MOSFET符号,增强型,耗尽型,JFET符号,耗尽型,31,场效应管放大电路的三种组态,场效应管放大电路,根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路,共源极电路（对应共射电路）：栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。,共栅极电路（对应共基电路）：源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。,共漏极电路（对应共集电极电路）：栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。,32,4.5场效应管（FET）放大电路,根据前面讲的场效应管的结构和工作原理，和双极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用。,场效应管的三个极和双极性三极管的三个极存在着对应关系即：G(栅极)b(基极)S(源极)e(发射极)D(漏极)c(集电极),所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。,33,场效应管（FET）放大电路的三种工作组态,以NMOS（E）为例：,34,(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。,(2)动态：能为交流信号提供通路。,场效应管（FET）放大电路的组成原则：,场效应管（FET）放大电路的分析方法：,35,但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。,双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时，应给双极性三极管设置偏置偏流。,而场效应管是电压控制器件，故组成放大电路时，应给场效应管设置偏置偏压：合适的栅极电压（简称栅压，为Q点电压），保证放大电路具有合适的工作点，避免输出波形产生严重的非线性失真。,4.5.1静态工作点与偏置电路,36,由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性必须考虑。,以N沟道为例：N沟道的结型场效应管只能工作在UGS0，而耗尽型工作在UGS0,UGSQ=0,UGSQUGS,则：UGUS,而：IG=0,所以：,78,二、动态分析,79,ro=RD=10k,80,例2：源极输出器,一、静态分析,USUG,UDS=UDD-US=20-5=15V,81,二、动态分析,82,输入电阻ri,83,输出电阻ro,加压求流法,84,例3:一个场效应管的输出特性如图所示，试分析:(1)它是属于何种类型的场效应管；(2)它的开启电压VT(或夹断电压VP)大约是多少？(3)它的饱和漏极电流DSS是多少?,85,解：由场效应管输出特性可看出，(1)VGS在正负电压一定范围内变化时，有D输出，所以为N沟道耗尽型场效应管。(2)VGS=-3V时，D=0,所以VP=-3V。(3)DSS6mA。,86,讨论：根据特性曲线中，VGS=0时，iD不等于0，而且，VGS可正可负，可以判断这个管子时耗尽型绝缘栅场效应管；又根据VGS从负到正改变时，iD相应地有小到大改变，可见它是N沟道。夹断电压和饱和特性可直接从特性曲线上看出。,87,例4:增强型MOS管和耗尽型MOS管的主要区别是什么?增强型的场效应管能否用自给偏压的方法的静态工作点？,88,答：增强型MOS管的导电沟道是在VGS增大到开启电压VT才接通，即有一定的栅源电压之后，才有漏极电流d;耗尽型MOS管的导电沟道是在VGS=0时已经形成，极栅源电压为零时才有较大漏极电流d,其VGS值可正可负。增强型的场效应管不能用自给偏压的方法获得静态工作点。,89,例5:如图中T的DSS=2mA,VGS(off)