场效应管及其放大电路学习课件

1、5 场效应管及其放大电路5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.3 结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。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。 从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1. 结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2. 绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulate

2、d Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1 N沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道MOSFET5.1.4

3、沟道长度调制效应5.1.1 N沟道增强型MOSFET1. 结构（N沟道）L ：沟道长度W ：沟道宽度tox ：绝缘层厚度通常 W L N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号见图。其中：D ( Drain )为漏极，相当于集电极C；G ( Gate )为栅极，相当于基极B ; S ( Source ) 为源极，相当于发射极E。 绝缘栅型场效应管MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为: 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3） 一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为

4、栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 (1)N沟道增强型MOSFET 结构 根据左图， N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，5.1.1 N沟道增强型MOSFET剖面图1. 结构（N沟道）符号 当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的 P 型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。工作原理 1栅源电压V

5、GS的控制作用 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（称为开启电压)，此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。(动画2-4）5.1.1 N沟道增强型MOSF

6、ET2. 工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS0时 无导电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。当0vGS VT 时 在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。 vGS越大，导电沟道越厚VT 称为开启电压2. 工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGS一定（vGS VT ）时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布当vGS一定（vGS VT ）时，vDSID沟道电位梯度 当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。2. 工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT预夹断后，v

7、DS夹断区延长沟道电阻ID基本不变2. 工作原理（2）vDS对沟道的控制作用2. 工作原理（3） vDS和vGS同时作用时 vDS一定，vGS变化时 给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。3. V-I 特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程 截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。3. V-I 特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区 vDS（vGSVT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区 n ：反型层中电

8、子迁移率Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V23. V-I 特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程 饱和区（恒流区又称放大区）vGS VT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT时的iD V-I 特性：3. V-I 特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性图02.14 VGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线 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。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS) ID=f(VGS)VDS=const5.

9、1.2 N沟道耗尽型MOSFET1. 结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流 (2)N沟道耗尽型MOSFET 当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOS的转移特性曲线如图02.17(b)所示。 N沟道耗尽型MOS的结构和符号如图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就

10、有漏极电流存在。5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （N沟道增强型）5.1.3 P沟道MOSFET P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。5.1.4 沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。 修正后 伏安特性曲线 场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一

11、规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于下图。 各类场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型5.1.5 MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1. 开启电压VT （增强型参数）2. 夹断电压VP （耗尽型参数）3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）4. 直流输入电阻RGS （1091015 ）二、交流参数 1. 输出电阻rds 当不考虑沟道调制效应时，0，rds 5.1.5 MOSFET的主要参数2. 低频互导gm 二、交流参数 考虑到 则其中5.1.5 MOSF

12、ET的主要参数end三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM 2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源电压V（BR）DS 4. 最大栅源电压V（BR）GS 5.2 结型场效应管 5.2.1 JFET的结构和工作原理 5.2.2 JFET的特性曲线及参数 5.2.3 JFET放大电路的小信号模型分析法 5.2.1 JFET的结构和工作原理1. 结构 # 符号中的箭头方向表示什么？ 结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。2

13、. 工作原理 vGS对沟道的控制作用当vGS0时（以N沟道JFET为例） 当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。对于N沟道的JFET，VP 0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。 vGS继续减小，沟道继续变窄。2. 工作原理（以N沟道JFET为例） vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSID G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS 夹断区延长沟道电阻ID基本不变2. 工作原理（以N沟道JFET为例） vGS和vDS同时作用时当VP v

14、GS VT ，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足5.2.1 MOSFET放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI0，VG 0，ID I电流源偏置 VS VG VGS （饱和区） 5.2.1 MOSFET放大电路2. 图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同 5.2.1

15、 MOSFET放大电路3. 小信号模型分析（1）模型静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项 当，vgs 2(VGSQ- VT )时，5.2.1 MOSFET放大电路3. 小信号模型分析（1）模型=0时高频小信号模型3. 小信号模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得： （2）放大电路分析（例5.2.5）s3. 小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）s3. 小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）共漏3. 小信号模型分析（2）放大电路分析end5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法1. JFET小信号模型（1）中低频模型（2）高频模型2. 动态指标分析（1）中频小信号

16、模型2. 动态指标分析（2）中频电压增益（3）输入电阻（4）输出电阻忽略 rds，由输入输出回路得则通常则end*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管本节不做教学要求，有兴趣者自学5.5 各种放大器件电路性能比较5.5.1 FET的特点及使用注意事项1.MOS管容易集成，适用在大规模（LSI)和超大规模集成电路（VLSI)中；2.JFET具有低噪声的优点，适用在低噪声放大电路。使用注意事项（1）衬底B视使用需要任意连接；（2）FET 的D极和S极可以互换（前提S极不与衬底B连接）；（3）栅源电压不能接反，其电压值可在开路状态下保存；（4）焊接过程中注意外接地线，屏蔽交流电场，防止损坏管子5.5 各种放大器件电路性能比较5.5 各种放大器件电路性能