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文档简介

1、第4章 场效应管放大电路4.1结形场效应管4.2砷化镓金属-半导体场效应管4.3金属-氧化物-半导体场效应管4.4场效应管放大电路4.5各种放大器件电路性能比较 编辑ppt4.1 场效应晶体管(FET)分类和结构:结型场效应晶体管JFET绝缘栅型场效应晶体管IGFETNPPN结耗尽层PN沟道G门极D漏极S源极P衬底NN源极 门极 漏极S G D JFET结构IGFET结构N沟道编辑ppt4.1结型场效应晶体管JFET1) P 沟道和N沟道结构及电路符号N沟道G门极D漏极S源极gdsN沟道结构及电路符号P沟道G门极D漏极S源极gdsP沟道结构及电路符号编辑ppt2)工作等效(以P沟道为例)Ugs

2、IsId1)PN结不加反向电压(Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通,电阻很小,并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称可变电阻区 ;ID=UDs / RDsRDSPNNGIDIS=IDPN结PN结+-UGS增大耗尽层加厚。UGS=0:ID=IDSS电路图 等效图编辑ppt2)恒流工作(电压控制电流源)GID+RDVDDDSPN结加反向电压(Ugs) 使沟道微闭合时电流ID与UDS无关,称恒流区。ID=IDSS(1 - )2ugsvPPNNGIDIS=IDPN结PN结+-耗尽层闭合时UGS=VPRDVDDUGS电路图 等效图编辑ppt3)截止工作PNNGID=0IS=IDPN结PN结+-

3、RDVDDUGS耗尽层完全闭合,沟道夹断,电子过不去栅极电压UGS大于等夹断电压UP时,ID=0相当一个很大的电阻编辑ppt3)、JFET的主要参数1)夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS2)饱和漏极电流IDSS; VGS=0,时的IDudsidvgs=常数vgsidUds=常数uGS id5)极限参数:V(BR)DS、漏极的附近发生雪崩击穿。V(BR)GS、栅源间的最高反向击穿。 PDM 最大漏极允许功耗 ,与三极管类似。3)、 电压控制电流系数gm=4)交流输出电阻 rds=编辑ppt4)特性曲线:与三极管相同,场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。

4、以N型JFET为例:0ugs(v)-4 -3 -2 -1idmA54321VPIDSSN型JFET的转移曲线UDS可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VPN型JFET的输出特性曲线-4V-2.0V-1VUGS=0Vma(V) ID放大区0击穿区编辑pptSect4.3 MOSFET增强型MOSFET耗尽型MOSFET编辑ppt N沟道增强型MOS场效应管结构4.3.1增强型MOS场效应管漏极D集电极C源极S发射极E栅极G基极B衬底B电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管Sect编辑ppt当UGS较小时,虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层,但负离子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型

5、衬底表面形成一层电子层,形成N型导电沟道,在UDS的作用下形成ID。UDSID+-+-+-UGS反型层 当UGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的PN结,无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0. 当UGSUT时, 沟道加厚,沟道电阻减少,在相同UDS的作用下,ID将进一步增加开始无导电沟道,当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管Sect编辑ppt N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管UDS一定时,UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C 转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区,ID与UGS的

6、关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时,应考虑UDS对沟道长度的调节作用:IDK(UGS-UT)2(1+UDS)K导电因子(mA/V2)沟道调制长度系数n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因子Sect编辑ppt N沟道增强型MOS场效应管特性曲线UGS一定时, ID与UDS的变化曲线,是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C 输出特性曲线1.可变电阻区: ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当UGS变化时,RON将随之变化因

7、此称之为可变电阻区当UGS一定时,RON近似为一常数因此又称之为恒阻区Sect编辑ppt N沟道增强型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线2. 恒流区: 该区内,UGS一定,ID基本不随UDS变化而变3.击穿区: UDS 增加到某一值时,ID开始剧增而出现击穿。 当UDS 增加到某一临界值时,ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect编辑ppt 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当UDS为0或较小时,相当 UGDUT,此时UDS 基本均匀降

8、落在沟道中,沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成IDSect编辑pptSect基础知识 当UDS增加到使UGD=UT时, 当UDS增加到UGDUT时,增强型MOS管 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和 此时预夹断区域加长,伸向S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上, ID基本趋于不变。编辑ppt MOS管衬底的处理保证两个PN结反偏,源极沟道漏极之间处于绝缘态NMOS管UBS加一负压PMOS管UBS加一正压处理原则:处理方法:Sect编辑ppt N沟道耗尽型MOS场效应管结构4.3.

9、2耗尽型MOS场效应管+ + + + + + + 耗尽型MOS管存在原始导电沟道Sect编辑ppt N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当UGS=0时,UDS加正向电压,产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流,用IDSS表示当UGS0时,将使ID进一步增加。当UGS0时,随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压,用符号UP表示。UGS(V)ID(mA) N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线转移特性曲线在恒流区,ID与UGS的关系为IDK(UGS-UP)2沟道较短时,IDK(UGS-UT)2(1+UDS)UPID IDSS(1- UGS /UP)2常

10、用关系式:Sect编辑ppt N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0Sect编辑ppt4.3.3各类绝缘栅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Sect编辑ppt绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型Sect编辑ppt场效应管的主要参数直流参数交流参数极限参数Sect编辑ppt2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数,当UGS=UP 时,漏极电流为零。3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽

11、型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。1. 开启电压UT 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。Sect编辑ppt4. 直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管,反偏时RGS约大于107,绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。5. 漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压BUGSJFET:反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS:使SiO2绝缘层击穿的电压Sect编辑ppt 1. 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的求法: 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜

12、率解析法:如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2Sect编辑ppt 2. 衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用跨导比Sect编辑ppt3. 漏极电阻rds反映了UDS对ID的影响,实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率4.导通电阻Ron在恒阻区内Sect编辑ppt5. 极间电容Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容Csb 源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容主要的极间电容有:Sect编辑ppt4.3、绝缘栅型场效应晶体管IGFET(MOS)分增强型和耗尽型两类:各类有分NMOS和 PMOS两种:1) N

13、MOS (Metal Oxidized Semiconductor) NMOS(D)P衬底NN源极 门极 漏极S G D 增强型N沟道示意B 基底NMOS(E)P衬底NN源极 门极 漏极S G D 耗尽型N沟道示意B 基底Sio2Sio2N沟道GDSGGGBB+编辑ppt2)P沟道MOS(Metal Oxidized Semiconductor) N衬底PP源极 门极 漏极S G D 增强型P沟道示意B 基底PMOS(E)N衬底PP源极 门极 漏极S G D 耗尽型P沟道示意B 基底Sio2Sio2P沟道GDSGGGBB-PMOS(D)编辑ppt(1)工作状态示意图P衬底NNS G D UGS

14、UDSBID耗尽区+ +- - - -GDSBIDUDSUGS编辑ppt(2) IGFET 工作原理(NMOS)耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压VT ,(相当于三极管死区电压)。当UGS低于VT时,漏源之间夹断。ID=0当UGS高于VT时,漏源之间加电压后。 ID=ID0( -1)2 ;IDO为2VT时的ID 当UDS小于等于UGS-VT时,进入可变电阻区 UGSVTuGS iDgm=2ID0(UGS-1)VT=VT2IDID0VT编辑ppt(3) IGFET(E)特性曲线UDS可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VTNMOS的输出特

15、性曲线2.0V4.0V6.0VUGS=8.0VA ID放大区0击穿区UDS=5VUGSVID A0 2 4 6 82001501005020015010050NMOS的转移特性曲线编辑ppt(4)主要参数:1)开启电压VT:手册给出是ID为一微小值时的VGS2)饱和漏极电流IDO; VGS=2VT时的ID3)、 电压控制电流系数gm= 也称跨导(互导)4)交流输出电阻 rds= 5)极限参数:V(BR)DS 漏极的附近发生雪崩击穿。 V(BR)GS 栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗 ,与三极管类似。vgsidUds=常数udsidvgs=常数uds id2IDID0VT=编辑pp

16、t3)FET的三种工作组态以NMOS(E)为例:IDGRDSBUDSUGS输入输出共源组态:输入:GS输出:DSGRDDBUDSUGS输入输出共漏组态:输入:GS输出:DSGRDSBUDS输入输出共栅组态:输入:GS输出:DS编辑ppt一. 结型场效应管 1. 结型场效应管的结构(以N沟为例):两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极: G:栅极 D:漏极 S:源极符号:4.4 场效应管放大电路编辑ppt2. 结型场效应管的工作原理 (1)栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压VGS ,令VDS =0 当VGS=0时,为平衡PN结,导电沟道最宽。编辑ppt当VGS时,PN结反偏,形成耗尽层,导

17、电沟道变窄,沟道电阻增大。当VGS到一定值时 ,沟道会完全合拢。定义: 夹断电压Up使导电沟道完全合拢(消失)所需要的栅源电压VGS。编辑ppt(2)漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压VDS ,令VGS =0 由于VGS =0,所以导电沟道最宽。 当VDS=0时, ID=0。VDSID 靠近漏极处的耗尽层加宽,沟道变窄,呈楔形分布。编辑ppt当VDS ,使VGD=VG S- VDS=VP时,在靠漏极处夹断预夹断。预夹断前, VDSID 。预夹断后, VDSID 几乎不变。VDS再,预夹断点下移。(3)栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用可用输两组特性曲线来描绘。 ID=f( VGS 、

18、VDS)编辑ppt(1)输出特性曲线: ID=f( VDS )VGS=常数 3 结型场效应三极管的特性曲线 四个区: 可变电阻区:预夹断前。 电流饱和区(恒流区): 预夹断后。 特点: ID / VGS 常数= gm 即: ID = gm VGS(放大原理) 击穿区。 夹断区(截止区)。 编辑ppt(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲演示:动画(2-6) 动画(2-7)(2)转移特性曲线: ID=f( VGS )VDS=常数编辑ppt4 .场效应管的主要参数(1) 开启电压VT VT 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 VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数,当VGS=VP时,漏极电流为零。 (3)饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 (4)输入电阻RGS 结型场效应管,RGS大于107,MOS场效应管, RGS可达1091015。(5) 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用,单位是mS(毫西门子)。(6) 最大漏极功耗PDM PDM= VDS ID

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