模拟电子教学资料-第1章第四节场效应晶体管ppt课件

1、1.4 场效应晶体管 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。场效应管：场效应管：结型结型N沟道沟道P沟道沟道 MOS型N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型1.4. 1 结型场效应管结型场效应管(Junction Field Effect Transistor) 1. 结型场效应管结型场效应管 箭头方向表示栅箭头方向表示栅结正偏或正偏时结正偏或正偏时栅极电流方向。栅极电流方向。N沟道结型场效应管的结构动画(2-8)D(Drai

2、n):漏极，相当漏极，相当c G(Gate):栅极，相当栅极，相当b S(Source):源极，相当源极，相当e2. 工作原理ID（1VGS对导电沟道的影响：对导电沟道的影响：(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管通常工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区。N沟道结型场效应管工作原理：沟道结型场效应管工作原理：场效应管的工作原理(2-9)工作原理(c) |VGS | = VP ，导电沟道被，导电沟道被全夹断全夹断(b) 0 VGS 0 但但 |VGD|=|VGS-VDS| |VP |时的漏极电流时的漏极电流2 )-1 (PGSDSS

3、DVvIi 当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，iD可近似表示为：特性2特性1.4. 2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transistor)绝缘栅型场效应管IGFET又称金属氧化物场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻可达1015。增强型：增强型：VGS=0时，漏源之

4、间没有导电沟道，时，漏源之间没有导电沟道， 在在VDS作用下无作用下无iD。耗尽型：耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，时，漏源之间有导电沟道， 在在VDS作用下有作用下有iD。1. N沟道增强型MOSFET浓度较低的浓度较低的P型硅型硅;SiO2 薄膜绝缘层薄膜绝缘层;两个高掺杂的两个高掺杂的N型区型区;从从N型区引出电极作为型区引出电极作为D和和S;在绝缘层上镀一层金属铝并在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为引出一个电极作为G;D(Drain):漏极，相当漏极，相当c G(Gate):栅极，相当栅极，相当b S(Source):源极，相当源极，相当eB(Substrate):衬底

5、衬底结构动画结构动画(2-3)(1) 结构和符号结构和符号(2) 工作原理以N沟道增强型为例）(a) VGS=0时，漏源之间相时，漏源之间相当两个背靠背的当两个背靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上电压，不管之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一极性如何，其中总有一个个PN结反向，所以不存在导结反向，所以不存在导电沟道。电沟道。 VGS =0， ID =0VGS必须大于必须大于0管子才能工作。管子才能工作。栅源电压栅源电压VGSVGS的控制作用的控制作用栅源电压栅源电压VGS的控制作用动的控制作用动画画栅源电压VGS的控制作用 （b当栅极加有电压时，假设0VGSVT （ VT 称为

6、开启电压) 0VGSVT ， ID=0栅源电压栅源电压VGS的控制作用动的控制作用动画画栅源电压VGS的控制作用(c)进一步增加进一步增加VGS，当，当VGSVT时，时， VGS 0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS 反型层变厚反型层变厚 VDS ID 栅源电压栅源电压VGS的控的控制作用动画制作用动画(2-4)漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（a如果如果VGSVT且固定为某一且固定为某一值，值，沟道变化；沟道变化；VDS ID 漏源电压漏源电压VDSVDS对漏极电流对漏极电流IDID的影响的影响漏源电压漏源电压VDSVDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画漏源电压VDS

7、对漏极电流ID的控制作用（b当当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，沟道如图所示时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，靠近漏极的沟道被夹断，称为预夹断。称为预夹断。漏源电压漏源电压VDSVDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDS ID 不变不变（c当当VDS增加到增加到VGDVT时时，沟道如图所示。此时预夹断区，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向域加长，向S极延伸。极延伸。 VDS增加增加的部分基本降落在随之加长的夹的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，断沟道上， ID基本趋于不变基本趋于不变漏源电压漏源电压VDSVDS对沟道的对沟道的影响动画影响

8、动画(2-5)(2-5) ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线 iD vGS /VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线输出特性曲线 vDS /V iD(3) 特性曲线以N沟道增强型为例）值时的是在恒流区，DTGSDTGSDDivIVvIiV2 ) 1-(020转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小的大小反映了栅源电压反映了栅源电压VGS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用。的控制作用。 gm 的量纲为的量纲为mA/V，称为跨导。，称为跨导。 gm= ID/ VGS VDS=const 输出特性曲线 vDS /V iD(1) (1) 截止区夹断区）截止区夹断区）VG

9、S VTVGS |VP |时的漏时的漏 极电流。（耗尽）极电流。（耗尽）(4) 直流输入电阻Rgs ：在VDS = 0时，栅源间直流电压与栅极直流电流的比值2.交流参数(1) 低频跨导 gm ：表示vGS对iD的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为的表达式求导得出，单位为 S 或或 mS。常数DSGSDmvvig(2)输出电阻输出电阻rds ：表示：表示VDS对对iD的影响的影响常数GSDDSdsvivr它是输出特性曲线上工作点处斜率的倒数。它是输出特性曲线上工作点处斜率的倒数。(3)极间电容

10、极间电容 ：漏源电容：漏源电容CDS约为约为 0.11pF，栅源电容，栅源电容CGS和和栅栅 漏极电容漏极电容CGD约为约为13pF。3.极限参数(1) 最大漏极电流最大漏极电流 IDM (3) 漏源击穿电压漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压栅源击穿电压 V(BR)GS (2) 最大漏极耗散功率最大漏极耗散功率 PDM 2.5 场效应管放大电路场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路共栅组态基本放大电路共栅组态基本放大电路2.5.1场效应管的小信号模型一般rds很大，可忽略，得简化小信号模型:2.5.2 共源极放大电路以NMOS增

11、强型场效应管为例三极管共射极(b)共集电极(c)共基极(b)场效应管 共源极(s)共漏极(d)共栅极(g)三极管与场效应管三种组态对照表：1 电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。 图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。2 静态工作点的确定估算法）直流通路 静态工作点(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(R

12、d+R) 解出VGS、ID和VDS。3 动态参数分析微微变变等等效效电电路路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIRRiiig1g2/ /.doo=RIVRoisivsRRRRgALm2.5.3 共漏极放大电路 直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出VGS、ID和VDS。与三极管共集电与三极管共集电极电路对应极电路对应直流通路：Rg的作用？交流分析)/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sosivvsiivsRRAARRRVVA输出电阻mmooogsogsmoo1/1gRRgRIVRVVVgRVI2.5.4 共栅极放大电路RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVRLmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv例题例题1 共源共源知：知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：静态分析：解：静态分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入参数得：代入参数得：3ID2-7ID+3=0ID=0.57mA VGS=-