第3章场效应晶体管及其放大电路课件.ppt

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1、3. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,第三章场效应晶体管及其放大电路,3.1 结型场效应管3.2 绝缘栅型场效应管3.3 场效应管放大电路,本章重点和考点：,1. 场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,2.FET三种组态的特点。,1.场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？2.如何根据放大电路的组成原则利用场效应管构成放大电路？它有三种接法吗？3.场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同处？在不同的场合下，应如何选用放大电路？,本章讨论的问题：,场效应三极管,场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。,场

2、效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管分类：,符号,3.1结型场效应管Junction Field Effect Transistor,3.1.1结型场效应管的结构和类型,图 3.1N 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。,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道

3、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。,3.1.2 结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1. 当UDS = 0 时， uGS 对导电沟道的控制作用,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UGS（Off)，耗尽层合拢，

4、导电沟被夹断.,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off) 也可用UP表示,2. 当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时, uDS 对漏极电流iD的影响。,uGS = 0，uGD UGS（Off) ，iD 较大。,uGS UGS（Off) ，iD 更小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),uGD uGS uDS,uGS 0,uGD = UGS(off), ,沟道变窄预夹断,uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，iD几乎不变,(1) 改变 uGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 iD ，故称场效应管； (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使

5、 PN 反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),3.当uGD uGS(off),时， , uGS 对漏极电流iD的控制作用,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。,场效应管为电压控制元件(VCCS)。,在uGD uGS uDS uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS ，就有确定的iD。,gm=iD/uGS,(单位mS),小结,(1)在uGD uGS uDS uGS(off)情况下, 即当uDS uGS -uGS(off) 对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当uDS使uGD uGS(off)时，d

6、-s之间预夹断,(3)当uDS使uGD uGS(off)时， iD几乎仅仅决定于uGS ，而与uDS 无关。此时， 可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,3.1.3 结型场效应管的特性曲线,1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例),图 3.1.3转移特性,uGS = 0 ，iD 最大；uGS 愈负，iD 愈小；uGS = UGS(off) ，iD 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID),夹断电压 UGS(off) (ID = 0 时的 UGS),转移特性,2. 输出特性曲线,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 iD 与漏源之间电压 uDS 的关系

7、，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。,图 3.1.5(b)漏极特性,输出特性（漏极特性）曲线,夹断区,击穿区,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。,3.1.4结型场效应管的主要参数,一、直流参数,2. 零偏漏极电流 IDSS,1. 夹断电压 UGS(off),3. 直流输入电阻 RGS,为UDS为固定值时，使ID降至极小值的UGS,漏极饱和电流，为UDS为固定值时，UGS0时的ID,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上,二、交流参数,1. 低频跨导

8、 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,2.最大漏极电流IDSM,3.漏源击穿电压 U(BR)DS,4. 栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，

9、这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,1.漏极最大允许耗散功率 PDSM,3.2绝缘栅型场效应管MOSFE（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达1010(有资料介绍可达1014）以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,3.2.1、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G

10、,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 3.2.1N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,1. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,2.工作原理分析,(1)UGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th),D,栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,(3) UDS = 0，UGS UGS(th),由于

11、吸引了足够多P型衬底的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 ,反型层、N 型导电沟道。 UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。,UGS(th) 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,(4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS UGS(th) ),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。,b. UDS= UGS UGS(th) UGD = UGS(th),靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c. UDS UGS UGS(th) ， UGD UGS(th),由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本

12、不变， iD因而基本不变。,a. UDS UGS(th),图 3.2.2UDS 对导电沟道的影响,(a) UGD UGS(th),(b) UGD = UGS(th),(c) UGD UGS(th),在UDS UGS UGS(th)时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD 。此时， 可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,3. 特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UGS(th) ，iD = 0；,UGS UGS(th) ，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UGS(th)时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,图 3.2.

13、3 (a),图 3.2.3 (b),3.2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,UGS = 0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；,UGS = UGS(off) , 感应电荷被“耗尽”，iD 0。,UP或UGS(off)称为夹断电压,图 3.2.4,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的符号,N 沟

14、道耗尽型MOSFET,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th) 0当UGS UGS(th) ，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。,各类场效应管的符号和特性曲线,3.2.3.场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UP 或UGS(off),3. 开启电压 UT 或UGS(th),4. 直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数

15、。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,3. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 U(BR)DS,4. 栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许

16、的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,1.最大漏极电流IDM,例1,已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th) 4V,例2,电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线如右图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,分析：N沟道增强型MOS管，

17、开启电压UGS(th) 4V,解：,(1) ui为0V ，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0 VDD 15V,(2) uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V,(3) uGSui10V时，,若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而u0 15- 2.2*5 4V,但是， uGS 10V时的预夹断电压为,uDS= uGS UT=(10-4)V=6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,晶体管,场效应管,结构,N

18、PN型、PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,绝缘栅增强型 N沟道 P沟道,绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子 多子扩散少子漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(),电压控制电流源VCCS(gm),场效应管与晶体管的比较,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,晶体管,场效应管,场效应管,1. 分类,按导电沟道分,N 沟道,P 沟道,按结构分,绝缘栅型

19、(MOS),结型,按特性分,增强型,耗尽型,uGS = 0 时， iD = 0,uGS = 0 时， iD 0,增强型,耗尽型,(耗尽型),2. 特点,栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流,输入电阻高，工艺简单，易集成,由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述,3. 特性,不同类型 FET 的特性比较参见 图1.4.13 第 43-44页。,第一章 半导体器件,不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,(耗尽型),IDSS,开启电压UGS(th),夹断电压UGS(off),IDO 是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,3.3场效应管放

20、大电路,场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。,场效应管放大电路的三种接法,（以N沟道结型场效应管为例）,3.3.1场效应管放大电路的静态工作点的设置方法,图 3.3.2基本共源放大电路,与双极型三极管对应关系,b G , e S , c D,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。,(UT：开启电压),一、基本共源放大电路,静态分析 UGSQ 、 IDQ UDSQ,两种方法,近似估算法,图解法,(一) 近似估算法,MOS 管栅极电流为零，当 uI = 0 时,UGSQ = VGG,而 iD 与 uGS 之间近似满足,(当 uGS

21、 UT),式中 IDO 为 uGS = 2UT 时的值。,则静态漏极电流为,(二) 图解法,利用式 uDS = VDD - iDRD 画出直流负载线。,图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。,UGSQ =,UDSQ =,已知UP 或 UGS（Off),VDD,- IDQ (Rd + R ),- -IDQR,可解出Q点的UGS Q、 IDQ 、 UDSQ,如知道FET的特性曲线，也可采用图解法。,二、自给偏压电路,图3.3.4(a) JFET自给偏压共源电路,耗尽型MOS管自给偏压共源电路的分析方法相同。,三、分压式偏置电路,(一)Q点近似估算法,根据输入回路列方程,解联立方程求出 UGSQ 和

22、IDQ。,列输出回路方程求 UDSQ,UDSQ = VDD IDQ(RD + RS),将IDQ 代入，求出UDSQ,(二)图解法,由式,可做出一条直线，,另外，iD 与 uGS 之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点，确定 UGSQ， IDQ 。,根据漏极回路方程,在漏极特性曲线上做直流负载线， 与 uGS = UGSQ 的交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。,UDSQ,uDS = VDD iD(RD + RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,3.3.2场效应管放大电路的动态分析,iD 的全微分为,上式中定义：, 场效应管的跨导(毫西门子 mS

23、)。, 场效应管漏源之间等效电阻。,一、场效应管的低频小信号等效模型,如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。,成为：,根据上式做等效电路如图所示。,图 3.3.6MOS管的低频小信号等效模型,由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。,微变参数 gm 和 rDS,(1) 根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。,(2) 用求导的方法计算 gm,在 Q 点附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，则,一般 gm 约为 0.1 至 20 mS。 rDS 为几百千欧的数量级。当 RD 比 rDS 小得多时，可认为等效电路的 rDS 开路。,二、基本 共源放大电路的动态分析,基本共源放大电路的等效电路,

24、将 rDS 开路,而,所以,输出电阻,Ro = RD,MOS 管输入电阻高达 109 。,1.基本共源放大电路动态分析,2.分压式偏置电路的动态分析,等效电路入图所示,由图可知,电压放大倍数,输入、输出电阻分别为,三、基本共漏放大电路,源极输出器或源极跟随器,图 3.3.9基本共漏放大电路,典型电路如右图所示。,1.静态分析,分析方法与“分压-自偏压式共源电路”类似，可采用估算法和图解法。,2.动态分析,（1）. 电压放大倍数,图 2.7.10微变等效电路,而,所以,（2）. 输入电阻,Ri = RG + ( R1 / R2 ),（3）输出电阻,图 3.3.11微变等效电路,在电路中，外加 ，

25、令 ，并使 RL 开路,因输入端短路，故,则,所以,实际工作中经常使用的是共源、共漏组态。,1.场效应管放大电路及管子转移特性如图所示.(1)计算静态工作点参数IDQ、UGSQ、UDSQ。(IDSS=3.2mA)(2)若静态工作点处跨导gm=2mA/V,计算Au、ri、ro。,1.,(1),(2),2.源极跟随器电路如图所示,设场效应管参数UP=-2V， IDSS=1mA(1)用解析法确定静态工作点ID、UGS、UDS及工作点跨导(2)计算Au、ri、ro。,2. (1),(2),2. (1),(2),返回,场效应管放大电路的特点,1. 场效应管是压控元件；,2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻高；,3. 一种载流子导电，噪声小，受温度及辐射影响小；,4. 制造工艺简单，利于大规模集成；,5. 存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应良好接地，防止静电击穿管子；,6. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低,