場效應(yīng)管工作原理

會計學(xué)1場效應(yīng)管工作原理

1場效應(yīng)管BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。FET分類：

絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道第1頁/共26頁一.絕緣柵場效應(yīng)管

絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)

4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號：第2頁/共26頁

當uGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用第3頁/共26頁

定義：開啟電壓（UT）——剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。第4頁/共26頁

②轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UT第5頁/共26頁

一個重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。第6頁/共26頁

2.N溝道耗盡型MOSFET特點：

當uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。當uGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。

當uGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。第7頁/共26頁

3、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。第8頁/共26頁4.MOS管的主要參數(shù)（1）開啟電壓UT（2）夾斷電壓UP（3）跨導(dǎo)gm

：gm=iD/uGSuDS=const

（4）直流輸入電阻RGS——柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有sio2絕緣層，輸入電阻可達109～1015。

第9頁/共26頁二.結(jié)型場效應(yīng)管

1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道。三個電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號：N溝道P溝道第10頁/共26頁

2.結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓對溝道的控制作用

在柵源間加負電壓uGS

，令uDS=0

①當uGS=0時，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當│uGS│↑時，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當│uGS│↑到一定值時，溝道會完全合攏。定義：夾斷電壓UP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。

第11頁/共26頁（2）漏源電壓對溝道的控制作用

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當uDS=0時，iD=0。②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當uDS↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點下移。

（3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用輸兩組特性曲線來描繪。

第12頁/共26頁（1）輸出特性曲線：iD=f（uDS）│uGS=常數(shù)

3、結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線uGS=0VuGS=-1V設(shè)：UT=

-3V第13頁/共26頁四個區(qū)：恒流區(qū)的特點：△iD/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△uGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)第14頁/共26頁（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：第15頁/共26頁4.場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)

開啟電壓UT

UT

是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

（2）夾斷電壓UP

UP

是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當uGS=UP時,漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場效應(yīng)管,RGS可達109～1015Ω。（5）

低頻跨導(dǎo)gm

gm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。（6）最大漏極功耗PDM

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當。第16頁/共26頁5.雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管

單極型場效應(yīng)管載流子多子擴散少子漂移

少子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成第17頁/共26頁一.直流偏置電路

保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真2場效應(yīng)管放大電路1.自偏壓電路UGS=-IDR

注意：該電路產(chǎn)生負的柵源電壓，所以只能用于需要負柵源電壓的電路。計算Q點：UGS、ID、UDS已知UP，由UGS=-IDR可解出Q點的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

第18頁/共26頁2.分壓式自偏壓電路可解出Q點的UGS、ID

計算Q點：已知UP，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：第19頁/共26頁二.

場效應(yīng)管的交流小信號模型

與雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管也是一種非線性器件，在交流小信號情況下，也可以由它的線性等效電路—交流小信號模型來代替。

其中：gmugs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用。稱為低頻跨導(dǎo)。

rds為輸出電阻，類似于雙極型晶體管的rce。第20頁/共26頁三.場效應(yīng)管放大電路1.共源放大電路第21頁/共26頁分析：（1）畫出共源放大電路的交流小信號等效電路。

（2）求電壓放大倍數(shù)（3）求輸入電阻（4）求輸出電阻則第22頁/共26頁（2）電壓放大倍數(shù)（3）輸入電阻得

分析：（1）畫交流小信號等效電路。

由2.共漏放大電路第23頁/共26頁（4）輸出電阻所以由圖有第24頁/共26頁本章小結(jié)1．FET分為