南航考研模拟电子线路(模电)第一章03_图文

1、电子线路基础第1章电子线路元器件1.5 场效应晶体管1.5.1 结型场效应管1.5.2 绝缘栅场效应管1.5.3 场效应管的小信号模型1.5.4 场效应管的主要参数电子线路基础l.5.1 结型场效应管1. N沟道结型场效应管(1 结构在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区(用P+表示:栅极G:两边P+型区引出的两个欧姆电极并连在一起;源极S、漏极D:在N型半导体材料两端各引出的一个欧姆电极;导电沟道:两个PN结阻挡层之间的N型区域。电子线路基础当uGS由零向负值增大时,PN结的反向电压增大,耗尽层将加宽,使沟道变窄,沟道电阻增大,从而控制漏极与源极之间导电电阻的大小。当uGS 进一步增大到

2、某一值UGS(off(夹断电压时,沟道被全部夹断,沟道电阻趋于无穷大。预夹断:当u DS 增大到U GS (off 时,沟道在靠近漏极一端的A 点处刚好被夹断。预夹断时,i D 大到漏极饱和电流I DSS 。预夹断后,i D 基本不随u DS 增大而变化,基本保持在漏极饱和电流I DSS 。电子线路基础工作原理:(2u DS 对i D 的影响当u GS 不等于0,u GD =u GS -u DS =U GS(off预夹断时,i D 大到漏极饱和电流I DSS 。预夹断后,i D 基本不随u DS 增大而变化,基本保持在漏极饱和电流I DSS 。GS(of f DS GS GD U u u u

3、=-=GS(offGS U u =预夹断时:夹断0D =i 0D i 预夹断前:GS(of f GDU u 预夹断后:U u 小结i D 受控于u GS :|u GS |则i D 直至i D =0i D 受u DS 影响:u DS 则i D 先上升,随后保持不变以预夹断为分界线:预夹断前:u DS 则i D 预夹断后:u DS 则i D 保持不变(3 特性曲线与特征方程1输出特性曲线:输出特性曲线可分为可变电阻区I 、饱和区和击穿区。常数=GS (DS D u u f iI 区为可变电阻区(非饱和区。对应沟道未预夹断部分,当一定时,随增加,线性增加。当一定时,越大,就越小。区为饱和区(恒流区。

4、沟道预夹断后,增加,几乎不变,呈饱和状态,主要由控制。沟道长度调制效应:当沟道预夹断后,随增加,略有增加,因而曲线随增加而略有上翘。区为击穿区,超过一定数值时,栅漏间PN 结发生雪崩击穿,迅速增大。在模拟电路中,场效应管通常工作在饱和区。GS u GS u GS u DS u DS u DS u DS u DS u DS u D i D i D i D i Di D i D i电子线路基础2 特征方程转移特性:转移特性描述了为常数时对的控制作用,可通过漏极特性求得。在范围内,与之间呈平方律关系:DS u D i D i GS u GS u 常数=DS (GS D u u f i 0GS GS(

5、of f u U 2GS(of f GS DSS D 1(U u I i -=电子线路基础2. P沟道结型场效应管P沟道结型场效应管与N沟道结型场效应管对应,所有外加电压极性、电流方向与N沟道结型场效应管相反。电子线路基础1.5.2 绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管: 利用半导体表面的电场效应,由感应电荷的多少改变导电沟道的宽窄来控制电流的大小。MOS管: 绝缘栅场效应管中,常用二氧化硅(S i O2作为金属(铝栅极和半导体之间的绝缘层,又称为金属氧化物半导体场效应管。MOS管有N沟道和P沟道两类,而每一类又分增强型和耗尽型两种。电子线路基础源极(S、漏极(D:用P型硅片作为衬底,其中扩散两个N

6、+区,并的引出电极;栅极(G:半导体表面覆盖SiO2绝缘层,绝缘层上再在源区和漏区之间制造的一层金属铝。1。反型层:绝缘层下面D 、S 之间形成的N 型导电沟道。开启电压:开始形成反型层时的电压。0DS GS(thGS =u U u ,电子线路基础2增大。在作用下,形成漏极电流。导电沟道为梯形;DS GS(thGS u U u , D i电子线路基础3继续增大。当,沟道被预夹断。沟道预夹断时,管子进入饱和区;DS GS(thGS u U u ,GS(thDS GS GD U u u u GS u电子线路基础小结iD 受控于uGS:uGS则iD直至iD=0iD 受uDS影响:uDS则iD先上升,

7、随后保持不变以预夹断为分界线:预夹断前:uDS 则iD预夹断后:uDS 则iD保持不变夹断:uGS U GS(th ,i D=0预夹断时:uGD= u GS -u DS =U GS(th ,i D0饱和区工作时的转移特性曲线可用以下公式表示:(2n ox D GS GS(th2C Wi u U L =-N 沟道增强型MOS 管输出特性曲线也可分为可变电阻区I 、饱和区和击穿区2. P沟道增强型MOS管电子线路基础P沟道增强型场效应管与N沟道增强型场效应管对应,所有外加电压极性、电流方向与N沟道增强型场效应管相反。3. N 沟道和P 沟道耗尽型场效应管夹断电压(:在N 沟道耗尽型场效应管中,当减

8、小为一定负值时,导电沟道消失,此时的电压。将开启电压换成夹断电压:式中:GS u GS(offu 2GS(offGS DO D 1(U u I i -=2n ox DO GS(off2C W I U L =. .电子线路基础端口特性由下列函数表示得:跨导,体现栅源电压对漏极电流的控制能力:场效应管d-s 间的微变等效电阻。=,(0DS GS D G u u f i i +=ds ds gs m d 0r U U g I I g m g ds r电子线路基础1.5.4 场效应管的主要参数1. 直流参数漏极饱和电流:结型和耗尽型场效应管的重要参数之一。夹断电压:结型和耗尽型场效应管的重要参数之一。

9、开启电压:增强型场效应管的重要参数之一。直流输入电阻: 栅源电压与栅极电流之比。DSS I GS(of f U GS(thU GS R电子线路基础 2. 交流参数 l 低频跨导 g m ：表征工作点Q上栅源电压对漏 极电流控制作用大小的一个参数： iD gm = uGS Q l 交流输出电阻 rds ：为输出特性在直流工作点 Q处切线斜率的倒数： uDS rds = iD Q 2015/12/16 32 hongfeng 电子线路基础 3. 极限参数 l 最大漏极电流I DM :管子在正常工作时允许 的最大漏极电流。 l 最大耗散功率PDM :PDM = u DS iD ，受管子 的最高工作温

10、度和散热条件限制。 U (BRGS ：对结型管指栅极与 l 栅源击穿电压 沟道间PN结的反向击穿电压；对绝缘栅型， 指使绝缘层击穿的电压。 U (BRDS ：漏极附近PN结发生 l 漏源击穿电压 雪崩击穿时的 u DS。 2015/12/16 33 hongfeng 电子线路基础 1.5.5 场效应管与晶体三极管的比较 场效应管与晶体三极管比较，具有如下特点： l 场效应管是电压控制器件，而晶体管是电流控 制器件。 l 作为放大器件时，晶体三极管输入端PN结为正 向偏置，基极电流较大，相应的输入电阻较 小，结型场效应管的PN结为反向偏置，MOS场 效应管有绝缘层，栅极电流极小，相应的输入 电阻很大。结型场效应管的输入电阻大于 107 9 ,MOS场效应管的输入电阻大于10 。 2015/12/16 34 hongfeng 电子线路基础 l MOS场效应管制造工艺简单，便于集成，适 合制造大规模集成电