MOS场效应管.ppt

1、1,第三章 场效应管,模拟电子技术基础,2,场效应管是利用电场效应来控制电流大小，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,引言：,3,3.1 金属-氧化物-半导体场效应管,一、 N沟道增强型,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,N沟道增强型,1、结构和电路符号,4,P 沟道增强型,5,2、MOS管的工作原理,UGS=0时,对应截止区,6,UGS0时,感应出电子,VT称为阈值电压,7,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,8,当UDS不太大时，导电沟

2、道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,9,UDS增加，UGD=VGS(Th) 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,10,预夹断后，夹断点向源极方向移动，沟道的长度略有减小，相应的沟道电阻略有减小，结果漏极电路稍有增大。,11,3、增强型N沟道MOS管的特性曲线,输出特性曲线,非饱和区,饱和区,截止区,12,转移特性曲线,13,4、关于输出特性曲线的进一步讨论,非饱和区,当VDS很小时,14,饱和区,15,截止区和亚阈区,当工作在截止区时，即VgsVGS(th)时，沟道未形成，因而ID=0。实际上，VgsVGS(th)时，ID不会突变到零。不过其值很小(uA量级

3、)，一般可忽略不计。但是在某些应用场合，为了延长电池寿命，工作电流取得很小，管子进入VGS(th)附近很小的区域内(100mV)。通常将这个工作区称为亚阈区或弱反型层区，在这个工作区内，ID与VGS之间服从指数规律变化，类似于晶体三极管。,16,在集成电路中，许多MOS管都制作在同一衬底上，为了保证衬底与源、漏区之间的PN结反偏，衬底必须接在电路的最低电位上。,衬底效应,若某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底极不能相连，其间就会作用着负值的电压VUS,在负值衬底电压VUS作用下，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，空间电荷区中的负离子数增多。,可见， VUS和VGS

4、一样，也具有对ID的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比VGS小。 实际上， VUS对ID的影响集中反映在对VGS(th)的影响上。 VUS向负值方向增大， VGS(th)也就相应增大。因而，在VGS一定时， ID就减小。,但是由于VGS不变，即栅极上的正电荷量不变，因而反型层中的自由电子数就必然减小，从而引起沟道电阻增大，ID减小。,17,N 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,二、 N沟道耗尽型MOS管,1、耗尽型MOS管,18,P 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,19,2、特性曲线：,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,20,输出特性曲线,

5、UGS=0,UGS0,UGS0,21,三、小信号模型,22,场效应管举例：,例1：已知,求：小信号模型的参数,解：,23,场效应管举例：,例2：,如图所示的电路，求漏极电流，已知,解：,舍去,假定,24,一、结构,3.2 结型场效应管:,25,S源极,N沟道结型场效应管,26,S源极,P沟道结型场效应管,27,28,29,N,G,S,D,UDS,UGS=0,UGS=0且UDS0时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,2、VGS=0，D、S加正电压：,30,31,32,33,34,三、特性曲线,转移特性曲线 一定UDS下的ID-UGS曲线,35,输出特性曲线,UDS,0,ID,IDSS

6、,VP,饱和漏极电流,夹断电压,某一VGS下,36,UGS=0V,恒流区,输出特性曲线,37,非饱和区：,是VGS=0时， VGD= VGS(off)的漏极电流,当VDS很小时，相当于一个线性电阻,38,饱和区：,截止区和击穿区的特性与mos管的特性相同,等效电路与mos的电路相同,39,P沟道结型场效应管的特性曲线,转移特性曲线,40,输出特性曲线,P沟道结型场效应管的特性曲线,ID,U DS,恒流区,0,41,四、主要参数：,1、夹断电压VP： 2、饱和漏极电流IDSS: 3、直流输入电阻RGS（DC）：栅压除栅流 4、低频跨导gm: 5、输出电阻rd: 6、最大漏极电流IDM: 7、最大

7、耗散功率PDM: 8、击穿电压：V（BR）DS、V（BR）GS,42,结型场效应管的缺点：,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,43,三、各种FET的特性比较及使用注意事项：,使用时： 1）一般D、S可以互换 2）谨防击穿,与三极管比较： 1）场效应管的D、G、D相当于C、B、E 2）场效应管是电压控制器件，栅流基本为0。 3）场效应管利用多子导电，故受外界影响小。 4）场效应管的D、S可互换,44,

8、一、放大电路：,1、 电路的组成： N沟道增强型MOS管处于恒流状态的条件是:vDSvGS-vGS(th)。因此直流电源的设置要满足这个要求。,同时由于场效应管是由GS间的电压来控制iD的，因此输入信号要能控制vGS达到放大的目的。根据上述想法就组成了共源放大电路如图所示。可以看到它与晶体管共射放大电路完全是对应，VGG的作用是确定静态工作点。,第三节、场效应管的应用原理：,45,2、静态工作点的计算,计算电路的静态工作点要先作出原电路的直流通路，如图所示。由于栅源之间是绝缘的，故iG=0，所以VGSQ=VGG,利用特性方程可求iD: 也可以用图解法在漏极特性中作负载线 vDS=VDD-iDRD 与vGS=VGG的曲线相交于Q点。从而定出IDQ和VDSQ。,46,输入电阻Ri很大，近似为栅源间的电阻（1010），输出电阻RoRD 共源放大电路与共射电路形式相似，只是电路的输入电阻要比共射电路的大得多，故在高输入电阻得场合常用场效应管放大电路。,画电路的交流等效电路如右图，这里采用的是MOS管的简化模型，可得：,3、交流性能的计算,47,二、有源电阻,漏源短接时，视为有源电阻,48,直流电阻：,交流电阻:,49,联立求解：,调节两管的宽长比，可以得到所要得电压,50,三、开关,输入电压的变化范围内的开关电平的要求,VGH-VGS(of