場效應(yīng)晶體管和基本放大電路演示文稿

1、場效應(yīng)晶體管和基本放大電路演示文稿第一頁，共七十四頁。優(yōu)選場效應(yīng)晶體管和基本放大電路ppt第二頁，共七十四頁。第3章 場效應(yīng)晶體管和基本放大電路作業(yè)思考：3-1習(xí)題：3-3、3-4、3-7、3-11第三頁，共七十四頁。本章的重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn):理解場效應(yīng)管的工作原理；掌握場效應(yīng)管的外特性及主要參數(shù)； 掌握場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)與動(dòng)態(tài)參數(shù)（Au、Ri、Ro）的分析方法。難點(diǎn):通過外部電壓對導(dǎo)電溝道的控制作用說明結(jié)型場效應(yīng)管及絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理。第四頁，共七十四頁。 分類：結(jié)型(JFET) 絕緣柵型(IGFET) 場效應(yīng)管輸入回路內(nèi)阻很高(1071015)，熱穩(wěn)定性好，噪聲低，比晶體管耗電

2、小，應(yīng)用廣泛。僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。 場效應(yīng)管（FET）：是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。3.1 場效應(yīng)晶體管第五頁，共七十四頁。3.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管是在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個(gè)高摻雜的P區(qū)。N溝道結(jié)構(gòu)示意圖SiO2N源極S柵極G漏極D NNPP1. 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 將它們連接在一起引出電極柵極G。N型半導(dǎo)體分別引出漏極D、源極S。 P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導(dǎo)電溝。 第六頁，共七十四頁。結(jié)型場效應(yīng)管的符號N溝道符號dsgdsgP溝道符號結(jié)型場效應(yīng)管有N溝道和P溝道兩種類型。第七頁，共七十

3、四頁。2. 工作原理電壓控制作用d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖 若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，便實(shí)現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場控制導(dǎo)電溝道中電流強(qiáng)弱的目的。 在N型硅材料兩端加上一定極性的電壓，多子在電場力的作用下形成電流ID。第八頁，共七十四頁。 這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實(shí)現(xiàn)了UGS對溝道電流ID的控制。d耗盡層sgP+N導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)示意圖2. 工作原理電壓控制作用正常工作時(shí)： 在柵-源之間加負(fù)向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓) 漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）第九頁，共七十四頁。1)當(dāng)UDS=0時(shí)，UGS對導(dǎo)電溝道的控制 當(dāng)UGS=0時(shí)，耗盡

4、層很窄,導(dǎo)電溝道寬。 隨| UGS |增大，耗盡層增寬，溝道變窄，電阻增大。 | UGS |增加到某一數(shù)值,耗盡層閉和,溝道消失,溝道電阻趨于無窮大。第十頁，共七十四頁。1)當(dāng)UDS=0時(shí)，UGS對導(dǎo)電溝道的控制由于PN結(jié)反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。 | UGS |增加到某一數(shù)值，耗盡層閉和，溝道消失，溝道電阻趨于無窮大。定義此時(shí)UGS的值為夾斷電壓UGS（off） 第十一頁，共七十四頁。dsgUDSID2）、間短路，、間加正向電壓 當(dāng) UDS =0時(shí)，雖有導(dǎo)電溝道，但I(xiàn)D為零。 當(dāng)UDS 0時(shí)，產(chǎn)生ID，但溝道中各點(diǎn)和柵極之間電壓不再相等，近漏極電壓最大，近源極電壓最小。 導(dǎo)電溝道寬度

5、不再相等，近漏極溝道窄，近源極溝道寬。第十二頁，共七十四頁。dsgUDSID 隨著UDS增加，柵-漏電壓|UGD|增加，近漏端溝道進(jìn)一步變窄。 只要漏極附近的耗盡區(qū)不出現(xiàn)相接，溝道電阻基本決定于UGS。2）、間短路，、間加正向電壓 隨著UDS 的增加， ID線性增加。ds間呈電阻特性。第十三頁，共七十四頁。UDSdsgAID 預(yù)夾斷時(shí)，導(dǎo)電溝道內(nèi)仍有電流ID 。 隨著UDS增加，當(dāng)UGD = UGS - UDS = UGS（off）時(shí),靠近漏極出現(xiàn)夾斷點(diǎn)。 稱UGD= UGS（off）為預(yù)夾斷。2）、間短路，、間加正向電壓第十四頁，共七十四頁。UDSdsgAID 預(yù)夾斷之后，UDS 再增加，預(yù)

6、夾斷延伸,夾斷區(qū)長度增加（AA）。夾斷區(qū)的阻力增大。 此時(shí)的ID稱為“飽和漏極電流IDSS”A 由于UDS的增加幾乎全部落在夾斷區(qū)，漏極電流ID基本保持不變。2）、間短路，、間加正向電壓第十五頁，共七十四頁。 UGS 增加，使導(dǎo)電溝道變窄，、間的正電壓使溝道不等寬。dsgUDSUGSID3）、間加負(fù)向電壓，、間加正向電壓 導(dǎo)電溝道夾斷后，ID幾乎僅僅決定于UGS而與UDS 基本無關(guān)。 第十六頁，共七十四頁。 當(dāng)UGS一定時(shí)，ID表現(xiàn)出恒流特性。此時(shí)可以把ID近似看成UGS控制的電流源。 dsgUDSUGSID3）、間加負(fù)向電壓，、間加正向電壓 稱場效應(yīng)管為電壓控制元件。第十七頁，共七十四頁。1

7、）UGD UGS（off） 時(shí)（未出現(xiàn)夾斷前），對于不同的UGS ，漏源之間等效成不同阻值的電阻， ID隨UDS 的增加 線性增加。（對應(yīng)可變電組區(qū)）2）UGD= UGS（off） 時(shí)，漏源之間預(yù)夾斷。3）UGD UGS（off）。 特點(diǎn)：可通過改變UGS來改變漏源間電阻值。1)可變電阻區(qū) IDUDS第二十頁，共七十四頁。條件： UGD0 UDS =0： 由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層將聚集大量正電荷，排斥P型襯底靠近SiO2的空穴，形成耗盡層。第三十頁，共七十四頁。3） UGS繼續(xù)增加,UDS =0 :P襯底BN+N+SGD反型層 使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電

8、壓UGS(th) 。 （2）工作原理 耗盡層增寬,將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間。形成N型薄層，稱為反型層。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。 UGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。 第三十一頁，共七十四頁。 將產(chǎn)生一定的漏極電流ID 。溝道中各點(diǎn)對柵極電壓不再相等，導(dǎo)電溝道寬度不再相等，沿源-漏方向逐漸變窄。 ID隨著的UDS增加而線性增大。P襯底BN+N+SGD4） UGS UGS(th) ，UDS 0：（2）工作原理第三十二頁，共七十四頁。5）UGS UGS(th) , UGD =UGS(th) ：P襯底BN+N+SGD（2）工作原理 隨著UDS的增大， UGD減小，當(dāng)

9、UDS增大到UGD =UGS(th)時(shí) ，導(dǎo)電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預(yù)夾斷。 第三十三頁，共七十四頁。5）UGS UGS(th) , UGD =UGS(th) ：P襯底BN+N+SGD 若UDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)延長。漏電流ID幾乎不變化，管子進(jìn)入恒流區(qū)。ID幾乎僅僅決定于UGS 。此時(shí)可以把ID近似看成UGS控制的電流源。（2）工作原理第三十四頁，共七十四頁。恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)（3） 特性曲線4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / VID /mA夾斷區(qū)第三十五頁，共七十四頁。

10、ID和UGS的近似關(guān)系：IDO是UGS = 2UGS(th)時(shí)的ID。UDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mAIDO（3） 特性曲線第三十六頁，共七十四頁。 制造時(shí),在sio2絕緣層中摻入大量的正離子,即使UGS =0，在正離子的作用下，源-漏之間也存在導(dǎo)電溝道。只要加正向UDS ，就會產(chǎn)生ID。結(jié)構(gòu)示意圖P源極S漏極D 柵極GBN+N+正離子反型層SiO22.N溝道耗盡型MOS管(1)結(jié)構(gòu) 只有當(dāng)UGS小于某一值時(shí)，才會使導(dǎo)電溝道消失，此時(shí)的UGS稱為夾斷電壓UGS(off) 。第三十七頁，共七十四頁。dN溝道符號BsgP溝道符號dBsgMOS管符號DBSGN溝

11、道符號DBSGP溝道符號耗盡型MOS管符號增強(qiáng)型MOS管符號第三十八頁，共七十四頁。N溝道耗盡型MOS管的特性曲線 （2） 特性曲線432104812UGS =1V2V3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性1230V1012123 UGS / VIDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mA第三十九頁，共七十四頁。NMOS耗盡型PMOS耗盡型場效應(yīng)管的符號及特性第四十頁，共七十四頁。NMOS增強(qiáng)型PMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的符號及特性第四十一頁，共七十四頁。P溝道結(jié)型N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的符號及特性第四十二頁，共七十四頁。 例：測得某放大電路中三個(gè)MOS管的三個(gè)電極的電位及它們的開

12、啟電壓如表所示。試分析各管的工作狀態(tài)（截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號UGS(th)/VUS/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513T2-43310T3-4605恒流區(qū)截止區(qū)可變電阻區(qū)第四十三頁，共七十四頁。3.1.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th) UDS為固定值能產(chǎn)生漏極電流ID所需的柵-源電壓UGS的最小值,它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。（NMOS管為正，PMOS管為負(fù)） （ 2）夾斷電壓 UGS(off) UDS為固定值使漏極電流近似等于零時(shí)所需的柵-源電壓。是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)（NMOS管為負(fù)， PMOS管為正）。第四十四頁，共七十四頁。

13、（4）直流輸入電阻RGS（DC） 柵-源電壓與柵極電流的比值，其值很高,一般為107-1010左右。 （3）飽和漏極電流IDSS 對于耗盡型MOS管,在UGS =0情況下產(chǎn)生 預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。1.直流參數(shù)第四十五頁，共七十四頁。2.交流參數(shù)gm=iD / uGS UDS =常數(shù) gm是衡量柵-源電壓對漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù)。 （1）低頻跨導(dǎo) gm 管子工作在恒流區(qū)并且 UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵-源電壓的微變量之比稱為低頻跨導(dǎo),即第四十六頁，共七十四頁。2.交流參數(shù)（2）交流輸出電阻rds rds反映了UDS對ID的影響，是輸出特性曲線上Q點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)

14、 rds在恒流區(qū)很大。第四十七頁，共七十四頁。3.極限參數(shù) (1)最大漏極電流IDM 管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。 (2)最大漏源電壓U DS(BR) 管子進(jìn)入恒流區(qū)后，使漏極電流驟然增加的UDS稱為漏-源擊穿電壓。(管子的極限參數(shù)，使用時(shí)不可超過。)第四十八頁，共七十四頁。 (3)最大柵源電壓U GS(BR) 對于結(jié)型場效應(yīng)管，使柵極與溝道間反向擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。 對于絕緣柵型場效應(yīng)管，使絕緣柵層擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。 (4)最大耗散功率P DM PDM決定于管子允許的溫升。3.極限參數(shù)第四十九頁，共七十四頁。 1.場效應(yīng)管利用柵源電壓控制漏極電流，是電壓控制元件

15、，柵極基本不取電流（很?。?，輸入回路電阻很大； 晶體管利用基極電流控制集電極電流，是電流控制元件，基極索取一定電流，輸入阻抗較小。 場效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d對應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c，能實(shí)現(xiàn)對信號的控制。3.1.4 場效應(yīng)管與雙極型晶體管的 比 較第五十頁，共七十四頁。2. 晶體管的放大倍數(shù)通常比場效應(yīng)管大。3. 場效應(yīng)管只有多子導(dǎo)電，而晶體管多子和少子均參與導(dǎo)電，場效應(yīng)管比晶體管熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。4. 場效應(yīng)管比晶體管噪聲系數(shù)小。5. 場效應(yīng)管源極、漏極可以互換使用，互換后特性變化不大；而晶體管的發(fā)射極和集電極互換后特性差異很大,一般不能互換使用。3.1.4 場

16、效應(yīng)管與雙極型晶體管的 比 較第五十一頁，共七十四頁。6. 場效應(yīng)管的種類比晶體管多，特別對于耗盡型MOS管，柵-源控制電壓可正可負(fù)，均能控制漏極電流。7.MOS管的柵極絕緣，外界感應(yīng)電荷不易泄放。8. 場效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開關(guān)電路，但場效應(yīng)管具有集成工藝簡單，工作電源電壓范圍寬，耗電省、低功耗等特點(diǎn)，目前越來越多的應(yīng)用于集成電路中。3.1.4 場效應(yīng)管與雙極型晶體管的 比 較第五十二頁，共七十四頁。3.2 場效應(yīng)管放大電路 場效應(yīng)管放大電路與晶體管電路的比較1.相同之處2.不同之處能實(shí)現(xiàn)對信號的控制；三種組態(tài)相對應(yīng)；分析方法相同。 為實(shí)現(xiàn)放大，對FET，在柵極回路加適當(dāng)偏壓；而

17、對BJT則加適當(dāng)?shù)钠鳌５谖迨?，共七十四頁?場效應(yīng)管放大電路也必須建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，保證有輸入信號時(shí)工作在恒流區(qū)。3.2.1場效應(yīng)管放大電路的直流偏置及靜態(tài)分析1.自給偏壓電路 此電路形式只適用于耗盡型MOS器件。 靜態(tài)時(shí)RG的電流近似為零，靠源極電阻上的電壓為柵-源提供一個(gè)負(fù)偏壓。第五十四頁，共七十四頁。1.自給偏壓電路 靜態(tài)工作點(diǎn)分析（ 柵極電流為0）（耗盡型MOS管的電流方程）第五十五頁，共七十四頁。.分壓式偏置電路電路結(jié)構(gòu)直流通路第五十六頁，共七十四頁。靜態(tài)工作點(diǎn)分析（柵極電流為0）IDQ UGSQ（增強(qiáng)型MOS管的電流方程）第五十七頁，共七十四頁。解：（求靜態(tài)，電容開路）。

18、第五十八頁，共七十四頁。（本例IDQ不應(yīng)大于IDSS)第五十九頁，共七十四頁。. 用微變等效電路法分析場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù) 場效應(yīng)管的交流低頻小信號模型求全微分 與分析晶體管的h參數(shù)等效模型相同，將場效應(yīng)管也看成兩端口網(wǎng)絡(luò)。第六十頁，共七十四頁。低頻小信號模型 gm是輸出回路電流與輸入回路電壓之比，稱跨導(dǎo),電導(dǎo)量綱。 rds是描述MOS管輸出特性曲線上翹程度的參數(shù)，等效為電阻，在幾十幾百千歐之間。通常 rds可視為開路。將輸出回路只等效為一個(gè)受控電流源。場效應(yīng)管的交流低頻小信號模型第六十一頁，共七十四頁。sdg+_.UgsgmUgsMOS管簡化交流等效模型第六十二頁，共七十四頁。耗盡型（結(jié)型）：增強(qiáng)型：Q點(diǎn)不僅影響電路是否失真,還影響動(dòng)態(tài)參數(shù)?？梢宰C明：第六十三頁，共七十四頁。應(yīng)用微變等效電路分析法分析場效應(yīng)管放大電路（）共源放大電路（從漏極輸出）微變等效電路第六十四頁，共七十四頁。（）共源放大電路 電壓增益輸入電阻輸出電阻第六十五頁，共七十四頁。例33圖3-14電路中令CS和RL開路，計(jì)算u、Ri和Ro圖3-14解：先畫出微變等效電路第六十六頁，共七十四頁。共源電路的電壓增益比共射電路小，輸入電阻大。第六十七頁，共七十四頁。（）