场效应管及其放大电路ppt课件

1、第九讲第九讲 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态任务点二、场效应管放大电路静态任务点的设置方法的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析四、复合管四、复合管1.4场效应三极管场效应三极管只需一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只需一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)； 输入电阻高；

2、输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、本钱低。本钱低。DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、构造一、构造图图 1.4.1N 沟道结型场效应管构造图沟道结型场效应管构造图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管。沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 沟道

3、结型场效应管构造图沟道结型场效应管构造图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区(N+)，导电沟，导电沟道为道为 P 型，多数载流子为型，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS二、任务原理二、任务原理 N 沟道结型场效应管用改动沟道结型场效应管用改动 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道

4、本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将添加。电流将添加。 *耗尽层的宽度改动耗尽层的宽度改动主要在沟道区。主要在沟道区。1. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源，在栅源之间加负电源 VGG，改动，改动 VGG 大小。察看耗尽层的变化。大小。察看耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ (a) UGS = 0UGS = 0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS = UG

5、S(off)，耗尽层合拢，导电沟耗尽层合拢，导电沟被 夹 断 ， 夹 断 电 压被 夹 断 ， 夹 断 电 压 UGS(off) 为负值。为负值。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b) UGS 0，在栅源间加，在栅源间加负电源负电源 VGG，察看，察看 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS = 0，UDG ，ID 较较大。大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(a)(b)(b)(offGSU)(offGSUGDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UGS(off)|,ID 0

6、,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1) (1) 改动改动 UGS UGS ，改动了，改动了 PN PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 ID ID ，故称场，故称场效应管或电压控控元件；效应管或电压控控元件； (2) (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使电压，使 PN PN 反偏，栅极根本不取电流，因此，场效应管输入电反偏，栅极根本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。阻很高。(c)(c)(d)(d)三、特性曲线三、特性曲线1. 转移特性转移特性(N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例)常数常数 DS)(GSDUUfIO UGSID

7、IDSSUGSoff图图 1.4.6转移特性转移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的时的 ID)夹断电压夹断电压 UGSoff)(ID = 0 时的时的 UGS)UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA1. 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2. 漏极特性漏极特性当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不

8、变时，漏极电流 ID 与漏与漏源之间电压源之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：常数常数 GS)(DSDUUfI)0( )1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSD时当UUUUIIIDSS/VGS(off)GSDSUUUID/mAUDS /VOUGS = 0V-1 -1 -2 -2 -3 -3 -4 -4 -5 -5 -6 -6 -7 -7 VUoffGS8)(预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击

9、穿区。区。2. 漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA图图 1.4.6(b)漏极特性漏极特性场效应管的两组特性曲线之间相互联络，可根据漏场效应管的两组特性曲线之间相互联络，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS = 常数常数ID/mA00.50.5111.51.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 00.4 V0.4 V0.8 V0.8 V1.2 V1.2 V1.6 V1.6 V10 15 20250.10.20.30

10、.40.5结型场效应管栅极根本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极根本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管，或简称导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道

11、加强型加强型耗尽型耗尽型加强型加强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；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加强型场效应管。时漏源间不存在导电沟道称加强型场效应管。一、一、N 沟道加强型沟道加强型 MOS 场效应管场效应管1. 构造构造P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.8N 沟道加强型沟道加强型MOS 场效应管的构造表示图场效应管的构造表示图2. 任务原理任务原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷的多感应电荷的多

12、少，改动由这些少，改动由这些“感应电荷构成的导电沟道的情况，以感应电荷构成的导电沟道的情况，以控制漏极电流控制漏极电流 ID。任务原理分析任务原理分析(1)UGS = 0(1)UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。种极性电压，总是不导电。SBD图图 1.4.9(2) UDS = 0(2) UDS = 0，0 UGS 0 UGS UT) (UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极构成电流漏极构成电流 ID 。b. UDS= UGS UGS(th)， UGD = UGS(th

13、)接近漏极沟道到达临界开接近漏极沟道到达临界开启程度，出现预夹断。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，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导逐渐增大时，导电沟道两端电压根本不变，电沟道两端电压根本不变，ID 因此根本不变。因此根本不变。a. UDS UGS(th)P 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BG

14、SDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a) UGD UGS(th)(a) UGD UGS(th)(b) UGD = UGS(th)(b) UGD = UGS(th)(c) UGD UGS(th)(c) UGD UGS(th)3. 特性曲线特性曲线(a)(a)转移特性转移特性(b)(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VOGS(th)GSUU预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UGS(th) UGS UGS(th) 时时) )三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )

15、、击穿、击穿区。区。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO图图 1.4.12 (a)图图 1.4.12 (b)二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应负电荷，构成感应负电荷，构成“反型反型层。即使层。即使 UGS = 0 也会构成也会构成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0，UDS 0，产，产生较大的漏极电流；生较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。

16、ID/mAUGS /VOUP(a)(a)转移特性转移特性IDSS图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=03 V3 V1 V1 V2 V2 V432151015 20图图 1.4.14特性曲线特性曲线1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UGS(off)3. 开启电压开启电压 UGS(th)4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽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。为加强型场效应管的一个重要参数。

17、为加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。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管普通在输入电阻很高。结型场效应管普通在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，普通大于缘栅场效应管更高，普通大于 109 。二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描画栅源之间的电压用以描画栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的的控制造用。控制造用。常数常数 DSGSDmUUIg单位：单位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应

18、管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，那么管子的高频性能愈好。极间电容愈小，那么管子的高频性能愈好。普通为几个皮法。普通为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决议。漏极耗散功率转化为由场效应管允许的温升决议。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS UDS 。 场效应管任务时，栅源间场效应

19、管任务时，栅源间 PN 结处于反偏形状，假结处于反偏形状，假设设UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS = UTUDSID+OIDUGS= 0V UDSOUGSIDUPID

20、SSOUGSID /mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS= 0V+ +_ _IDUDSo o+ +双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较一、场效应管以一、场效应管以N N沟道为例沟道为例 场效应管有三个极：源极s、栅极g

21、、漏极d，对应于晶体管的e、b、c；有三个任务区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1. 结型场效应管结型场效应管导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号构造表示图构造表示图栅栅- -源电压对导电沟道宽度的控制造用源电压对导电沟道宽度的控制造用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消逝沟道消逝称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必必需加负电压？需加负电压？VGG(uGS )VGG(uGS )UGSoffuGDUGSoffVGG(uGS )VDD(uDS)漏漏- -源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流

22、的影响场效应管任务在恒流区的条件是什么？场效应管任务在恒流区的条件是什么？uGDUGSoffVGG(uGS )VDD(uDS)uGDUGSoffVGG(uGS )VDD(uDS)预夹断预夹断uGSUGSoff且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大。增大。VDD的增大，几乎全部用来抑制沟道的增大，几乎全部用来抑制沟道的电阻，的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决议于几乎仅仅决议于uGS。uGSIDSSUGSoff常量DS)(GSDUufi夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性转移特性场效应管任务在恒流区，因此场效应管任务在恒流区，因此uGSuGSUG

23、SUGSoffoff且且uDSuDSUGSUGSoffoff。2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi在恒流区时 为什么用转移特性描画uGS对iD的控制造用？常量GS)(DSDUufig-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性输出特性常量DSGSDmUuig预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGSoff可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决议于议于uGS击击穿穿区区夹断区截止区夹断区截止区夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGSoff、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：uGS衬底衬底uGS2. 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 uG

24、S增大，反型层导电沟道将变厚变长。增大，反型层导电沟道将变厚变长。当反型层将两个当反型层将两个N区相接时，构成导电沟道。区相接时，构成导电沟道。加强型管加强型管SiO2绝缘层绝缘层耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启uDSuGSuGSuDS加强型加强型MOS管管uDS对对iD的影响的影响 用场效应管组成放大电路时应使之任务在恒流区。N沟道加强型MOS管任务在恒流区的条件是什么？ iD随随uDS的的增大而增大，增大而增大，可变电阻区可变电阻区 uGDUGSth,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒流区恒流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增

25、大几乎全部用的增大几乎全部用来抑制夹断区的电阻来抑制夹断区的电阻uGSuDS耗尽型耗尽型MOS管管 耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍坚持g-s间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存时就存在导电沟道在导电沟道UGSoffuGSiDUGSt huGSiDMOS管的特性管的特性1)加强型加强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2) 1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，uDSU

26、GSt hiDUGSoffUGS =0uDSiD3. 场效应管的分类场效应管的分类任务在恒流区时任务在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuuuGS=0可任务在恒流区的场效应管有哪几种？可任务在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才任务在恒流区的场效应管有哪几种？才任务在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才任务在恒流区的场效应管有哪几种？才任务在恒流区的场效应管有哪几种？ 二、

27、场效应管静态任务点的设置方法二、场效应管静态任务点的设置方法 1. 根本共源放大电路根本共源放大电路 根据场效应管任务在恒流区的条件，在根据场效应管任务在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性适宜的电源加极性适宜的电源dDQDDDSQ2GS(th)BBDODQBBGSQ) 1(RIVUUVIIVU+VDDuOVGGuIRgRd2. 自给偏压电路自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ，2GS(off)GSQDSSD)1 (UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管可以采用这种电路方式设置哪种场效应管可以采用这种电路方式设置Q点？点？+VDDuOuIRgRdRsRL3. 分压式偏置电路分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2GS(th)GSQD