場效應(yīng)管及其放大電路學(xué)習(xí)課件

1、5 場效應(yīng)管及其放大電路5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管5.3 結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.5 各種放大器件電路性能比較5.2 MOSFET放大電路 場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。 從場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有兩大類。 1. 結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2. 絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET ( Insulate

2、d Gate Field Effect Transister) IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道場效應(yīng)管的分類：5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道MOSFET5.1.4

3、溝道長度調(diào)制效應(yīng)5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）L ：溝道長度W ：溝道寬度tox ：絕緣層厚度通常 W L N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖。其中：D ( Drain )為漏極，相當(dāng)于集電極C；G ( Gate )為柵極，相當(dāng)于基極B ; S ( Source ) 為源極，相當(dāng)于發(fā)射極E。 絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為: 增強(qiáng)型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道N溝道增強(qiáng)型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖（動畫2-3） 一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為

4、柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。 (1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET 結(jié)構(gòu) 根據(jù)左圖， N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）符號 當(dāng)柵極加有電壓時，若0VGSVGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的 P 型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。工作原理 1柵源電壓V

5、GS的控制作用 當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。 進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時（稱為開啟電壓)，此時的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。 隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。(動畫2-4）5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSF

6、ET2. 工作原理（1）vGS對溝道的控制作用當(dāng)vGS0時 無導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時，也無電流產(chǎn)生。當(dāng)0vGS VT 時 在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。 vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT 稱為開啟電壓2. 工作原理（2）vDS對溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時，vDSID溝道電位梯度整個溝道呈楔形分布當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時，vDSID溝道電位梯度 當(dāng)vDS增加到使vGD=VT 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2. 工作原理（2）vDS對溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VT預(yù)夾斷后，v

7、DS夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變2. 工作原理（2）vDS對溝道的控制作用2. 工作原理（3） vDS和vGS同時作用時 vDS一定，vGS變化時 給定一個vGS ，就有一條不同的 iD vDS 曲線。3. V-I 特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程 截止區(qū)當(dāng)vGSVT時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。3. V-I 特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程 可變電阻區(qū) vDS（vGSVT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個受vGS控制的可變電阻 3. V-I 特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程 可變電阻區(qū) n ：反型層中電

8、子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V23. V-I 特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程 飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS VT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT時的iD V-I 特性：3. V-I 特性曲線及大信號特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性圖02.14 VGS對漏極電流的控制特性轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下 gm=ID/VGS VDS=const (單位mS) ID=f(VGS)VDS=const5.

9、1.2 N溝道耗盡型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子 可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流 (2)N溝道耗盡型MOSFET 當(dāng)VGS0時，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOS的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17(b)所示。 N溝道耗盡型MOS的結(jié)構(gòu)和符號如圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就

10、有漏極電流存在。5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET2. V-I 特性曲線及大信號特性方程 （N溝道增強(qiáng)型）5.1.3 P溝道MOSFET P溝道耗盡型MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。5.1.4 溝道長度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，0，曲線是平坦的。 修正后 伏安特性曲線 場效應(yīng)三極管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同，以及是增強(qiáng)型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一

11、規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于下圖。 各類場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1. 開啟電壓VT （增強(qiáng)型參數(shù)）2. 夾斷電壓VP （耗盡型參數(shù)）3. 飽和漏電流IDSS （耗盡型參數(shù)）4. 直流輸入電阻RGS （1091015 ）二、交流參數(shù) 1. 輸出電阻rds 當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，0，rds 5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)2. 低頻互導(dǎo)gm 二、交流參數(shù) 考慮到 則其中5.1.5 MOSF

12、ET的主要參數(shù)end三、極限參數(shù) 1. 最大漏極電流IDM 2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源電壓V（BR）DS 4. 最大柵源電壓V（BR）GS 5.2 結(jié)型場效應(yīng)管 5.2.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.2.2 JFET的特性曲線及參數(shù) 5.2.3 JFET放大電路的小信號模型分析法 5.2.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu) # 符號中的箭頭方向表示什么？ 結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理 根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流。現(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。2

13、. 工作原理 vGS對溝道的控制作用當(dāng)vGS0時（以N溝道JFET為例） 當(dāng)溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。對于N溝道的JFET，VP 0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。 vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。2. 工作原理（以N溝道JFET為例） vDS對溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時，vDSID G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。 當(dāng)vDS增加到使vGD=VP 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時vDS 夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變2. 工作原理（以N溝道JFET為例） vGS和vDS同時作用時當(dāng)VP v

14、GS VT ，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時，vI0，VG 0，ID I電流源偏置 VS VG VGS （飽和區(qū)） 5.2.1 MOSFET放大電路2. 圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同 5.2.1

15、 MOSFET放大電路3. 小信號模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng) 當(dāng)，vgs 2(VGSQ- VT )時，5.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號模型分析（1）模型=0時高頻小信號模型3. 小信號模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得： （2）放大電路分析（例5.2.5）s3. 小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s3. 小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏3. 小信號模型分析（2）放大電路分析end5.3.3 JFET放大電路的小信號模型分析法1. JFET小信號模型（1）中低頻模型（2）高頻模型2. 動態(tài)指標(biāo)分析（1）中頻小信號

16、模型2. 動態(tài)指標(biāo)分析（2）中頻電壓增益（3）輸入電阻（4）輸出電阻忽略 rds，由輸入輸出回路得則通常則end*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管本節(jié)不做教學(xué)要求，有興趣者自學(xué)5.5 各種放大器件電路性能比較5.5.1 FET的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)1.MOS管容易集成，適用在大規(guī)模（LSI)和超大規(guī)模集成電路（VLSI)中；2.JFET具有低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，適用在低噪聲放大電路。使用注意事項(xiàng)（1）襯底B視使用需要任意連接；（2）FET 的D極和S極可以互換（前提S極不與襯底B連接）；（3）柵源電壓不能接反，其電壓值可在開路狀態(tài)下保存；（4）焊接過程中注意外接地線，屏蔽交流電場，防止損壞管子5.5 各種放大器件電路性能比較5.5 各種放大器件電路性能