场效应管放大器.ppt

5 1场效应管 1 特点 1 导电能力由电压控制的半导体器件 2 仅靠多数载流子导电 又称单极型晶体管 3 体积小 耗电少 寿命长等优点 4 输入电阻高 热稳定性好 抗辐射能力强 噪声低 制造工艺简单 便于集成等特点 5 广泛用于大规模及超大规模集成电路 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 2 场效应管分类 N 基底 N型半导体 两边是P区 G栅极 S源极 D漏极 结构 导电沟道 PN结 5 1 1结型场效应管 P沟道结型场效应管 N沟道结型场效应管 符号 二 工作原理 以N沟道为例 当UDS 0V时 若加入UGS 0 PN结反偏 耗尽层变厚 若UGS 0 沟道较宽 沟道电阻小 沟道变窄 沟道电阻增大 若UGS VP 夹断电压 时 沟道夹断 沟道电阻很大 UGS 越大 则耗尽区越宽 导电沟道越窄 但当 UGS 较小时 耗尽区宽度有限 存在导电沟道 DS间相当于线性电阻 沟道夹断时 夹断电压VP 耗尽区碰到一起 DS间被夹断 这时 即使UDS 0V 漏极电流ID 0A 加入UGS使沟道变窄 该类型效应管称为耗尽型 漏源电压VDS对iD的影响 当VDS继续增加时 预夹断区向源极方向伸长 在栅源间加电压VGS 漏源间加电压VDS 由于漏源间有一电位梯度VDS 上端 漏端 VGD VGS VDS即 VGD VGS VDS 下端 源端 VGD VGS 使沟道呈楔形 耗尽层上下量端受的反偏电压不同 沟道夹断前 iD与vDS近似呈线性关系 当VDS增加到使VGD VGS VDS VP时 在紧靠漏极处出现预夹断点 随VDS增大 这种不均匀性越明显 电阻增大 使VDS增加不能使漏极也增大 漏极电流iD趋于饱和 4 1 2伏安特性曲线及参数 特点 1 当vGS为定值时 管子的漏源间呈线性电阻 且其阻值受vGS控制 iD是vDS的线性函数 2 管压降vDS很小 用途 做压控线性电阻和无触点的 闭合状态的电子开关 条件 源端与漏端沟道都不夹断 1 可变电阻区 1 输出特性曲线 动画2 6 用途 可做放大器和恒流源 2 恒流区 又称饱和区或放大区 2 恒流性 输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响 特点 1 受控性 输入电压vGS控制输出电流 3 夹断区 用途 做无触点的 接通状态的电子开关 条件 整个沟道都夹断 4 击穿区 当漏源电压增大到时 漏端PN结发生雪崩击穿 使iD剧增的区域 其值一般为 20 50 V之间 由于VGD VGS VDS 故vGS越负 对应的VP就越小 管子不能在击穿区工作 特点 2 转移特性曲线 输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制 结型场效应管的特性小结 5 1金属 氧化物 半导体场效应管 绝缘栅型场效应管 MetalOxideSemiconductor MOSFET N沟道P沟道增强型 N沟道P沟道耗尽型 增强型 N沟道 P沟道 VGS 0时无导电沟道 iD 0 耗尽型 N沟道 P沟道 VGS 0时已有导电沟道 类型及其符号 5 1 1N沟道增强型绝缘栅场效应管NMOS 漏极D 1 结构 栅极G 源极S 金属栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的 称绝缘栅型场效应管 由于栅极是绝缘的 栅极电流几乎为零 输入电阻很高 最高可达1014 绝缘层目前常用二氧化硅 故又称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOS场效应管 2 N沟道增强型MOS场效应管的工作原理 1 栅源电压VGS的控制作用 当VGS 0V时 因为漏源之间被两个背靠背的PN结隔离 因此 即使在D S之间加上电压 在D S间也不可能形成电流 当0 VGS VT 开启电压 时 通过栅极和衬底间的电容作用 将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥 同时 使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层 并与空穴复合而消失 结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层 漏源间仍无载流子的通道 管子仍不能导通 处于截止状态 N沟道增强型场效应管的工作原理 的N型沟道 把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT 这时 若在漏源间加电压VDS 就能产生漏极电流ID 即管子开启 VGS值越大 沟道内自由电子越多 沟道电阻越小 在同样VDS电压作用下 ID越大 这样 就实现了输入电压VGS对输出电流ID的控制 当VGS VT时 衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层 使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量 该薄层转换为N型半导体 称为反型层 形成N源区到N漏区 ID 2 漏源电压VDS对沟道导电能力的影响 A 当VGS VT且固定为某值的情况下 加正电压VDS 则形成漏极电流ID 当ID从D S流过沟道时 沿途会产生压降 进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀 S端电压最大 为VGS 感生的沟道最宽 D端电压最小 为VGD VGS VDS 感生的沟道窄 沟道呈锥形分布 当VGD VT 即VGS VDS VT时 则漏端沟道消失 出现预夹断点 当VDS为0或较小时 VGD VT 此时VDS基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布 当VDS增加到使VGD VT时 预夹断 当VDS增加到使VGD VT时 预夹断点向源极端延伸成小的夹断区 电阻增大 VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内 ID基本不随VDS增加而变化 MOSFET的特性曲线 1 漏极输出特性曲线 V I特性表达式不做要求 2 转移特性曲线 VGS对ID的控制特性 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 其量纲为mA V 称gm为跨导 ID f VGS VDS 常数 gm ID VGS Q mS 增强型MOS管特性小结 耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOS管 它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子 在管子制造过程中 这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层 形成了导电沟道 因此 使用时无须加开启电压 VGS 0 只要加漏源电压 就会有漏极电流 当VGS 0时 将使ID进一步增加 VGS 0时 随着VGS的减小ID逐渐减小 直至ID 0 对应ID 0的VGS值为夹断电压VP 耗尽型MOSFET的特性曲线 绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 场效应三极管的参数和型号 一 场效应三极管的参数1 开启电压VT开启电压是MOS增强型管的参数 栅源电压小于开启电压的绝对值 场效应管不能导通 2 夹断电压VP夹断电压是耗尽型FET的参数 当VGS VP时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管 当VGS 0时所对应的漏极电流 4 输入电阻RGS 结型场效应三极管 反偏时RGS约大于107 绝缘栅型场效应三极管 RGS约是109 1015 5 低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求取 单位是mS 毫西门子 6 最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由PDM VDSID决定 与双极型三极管的PCM相当 场效应管与晶体管的比较 类型NPN和PNPN沟道和P沟道 放大参数 耗尽型 G S之间加一定电压才形成导电沟道 在制造时就具有原始导电沟道 4 4场效应管放大电路 4 4 1直流偏置电路及静态分析 1 自偏压电路 仅适用于耗尽型场效应管 VGS 0时 沟道已存在 加VDD后 VS IDR 2 分压式偏压电路 直流通道 由 VG VDDRg2 Rg1 Rg2 及VS IDR 2 静态工作点的确