MOS管新ppt课件(PPT 59页)

1、第五章 场效应管放大电路 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：结型N沟道P沟道 MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型第1页，共59页。5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管金属氧化物场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET) 又称绝缘栅型场效应管，它是一种利用半导体表面电场效应，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，其电阻大于109。增强型：VG

2、S=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。第2页，共59页。1. 结构和符号 N沟道增强型MOSFET结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层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型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain): 漏极， 相当c G(Gate): 栅极， 相当b S(Source): 源极，相当eB(Substrate):衬底5.1.1 N沟道增强型MOSFET第3页，共59页。2. 工作原理VGS=0时，无导电沟道 漏源之间相当两

3、个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。 VGS =0， ID =0 VGS必须大于0 管子才能工作。（1）栅源电压VGS的控制作用第4页，共59页。 （b） 0VGS VT （ VT 称为开 启电压) 在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。 但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，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。0VGSVT ， ID=0第5页，共59页。(c) VGSVT时此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将

4、漏极和源极沟通，形成N沟道。如果此时VDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加。这种在VGS =0时没有导电沟道，依靠栅源电压的作用而形成感生沟道的FET称为增强型FETVGS 0g吸引电子反型层导电沟道VGS 反型层变厚 VDS ID 第6页，共59页。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（a）如果VGSVT且固定为某一值， VGD=VGSVDS VDS为0或较小时， VGD=VGSVDS VT，沟道分布如 图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VD

5、S增大。VDS ID 第7页，共59页。（b）当VDS增加到使VGD=VT时沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用第8页，共59页。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDS ID 不变（c）当VDS增加到VGDVT时沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变第9页，共59页。3.输出特性曲线 vDS /V iD(1) 截止区（夹断区）VGS |VP |时的漏 极电流。（耗尽）4、极间电容 ：漏源电容CDS约为

6、 0.11pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为13pF。一、直流参数第18页，共59页。场效应管的主要参数 2、 低频互导 gm ：表示vGS对iD的控制作用。在转移特性曲线上， gm 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 S 或 mS。二、交流参数1、输出电阻不考虑沟道调制效应时为0考虑时为第19页，共59页。1、 最大漏极电流 IDM 2、 最大漏极耗散功率 PDM 3、 最大漏源电压 V(BR)DS 最大栅源电压 V(BR)GS 由V-I特性估算 因为则三、极限参数第20页，共59页。场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型

7、三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。第21页，共59页。几种常用的场效应三极管的主要参数见表第22页，共59页。5.2 MOSFET放大电路5.2.1 MOSFET放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算2. 图解分析3. 小信号模型分析第23页，共59页。5.2.1 简单共源极放大电路的直流

8、分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2步骤直流通路VGIDVS5.2 MOSFET放大电路1 假设MOS管工作于饱和区，则有 VGSQVT，IDQ0，VDSQVGSQ-VT2 利用饱和区的V-I曲线分析电路：3 如果出现VGSVT，则MOS管可能截至，如果 VDSVGS-VT，则说明NMOS确工作于饱和区；若VDS (VGS-VT)=2-1=1V说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。28第28页，共59页。gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2静态值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信号电压波形：tvi因为：vGS=VGSQ+vi所以vGS的波形为：iD=I

9、DQ+gmvitvGSVGSQVGSQ1VGSQ20tiD IDQ IDQ1 IDQ20负载线方程：iD=- +VDDvDSRdRd是一条过(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直线5.2.3 NMOS共源极放大电路的图解分析5.2 MOSFET放大电路29第29页，共59页。vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDSttVDSQ5.2.3 NMOS共源极放大电路的图解分析5.2 MOSFET放大电路30第30页，共59页。1.NMOS管的小信号模型双端口 网络gsdsvgsvdsid工作在饱和区的漏极电流iD:IDQidgmvgs谐波分量越

10、小越好，一般取为0。ig0,输入端相当于开路；idgmvgs，输出回路等效成一个电压控制电流源。gm=2Kn(VGSQ-VT)5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路31第31页，共59页。场效应管输出特性表达式：求全微分:漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线斜率的倒数，为无穷大其中：为低频跨导,是转移特性曲线Q点的斜率5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路双端口 网络gsdsvgsvdsid变化量由该式可得到场效应管的微变等效电路1.NMOS管的小信号模型32第32页，共59页。漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线

11、斜率的倒数，为无穷大为低频跨导,是转移特性曲线Q点的斜率5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路双端口 网络gsdsvgsvdsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因rds很大，可忽略，得简化小信号模型:可得到场效应管放大电路的微变等效电路1.NMOS管的小信号模型33第33页，共59页。5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路2. 场效应管放大电路的微变等效电路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2 首先将电容、电源短路得到交流通路：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+

12、-RgRd34第34页，共59页。5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路2. 场效应管放大电路的微变等效电路 首先将电容、电源短路得到交流通路：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)电压放大倍数(2)输入电阻Ri=Rg1/Rg2(3)输出电阻R0=Rd35第35页，共59页。gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2R 首先将电容、电源短路得到交流通路：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路2. 场

13、效应管放大电路的微变等效电路(1)电压放大倍数(2)输入电阻Ri=Rg1/Rg2(3)输出电阻R0=Rd36第36页，共59页。gdsBVDDRdRg1Rg2idviCb2Cb2v0Cb2v0R 首先将电容、电源短路得到交流通路：小信号模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)电压放大倍数取rds为无穷时：(2)输入电阻Ri=Rg1/Rg2(3)输出电阻R0=R/rds/gm1推 导5.2.5 NMOS共漏极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路37第37页，共59页。dgvgs+idgmvgsvi+-sr

14、dsRv0Rg输出电阻R0的计算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR +ir -gmvgs5.2.5 NMOS共漏极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路38第38页，共59页。例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解.若管子工作在饱和区，则=0.2(2-1)2=0.2mA可见:说明管子工作在饱和区.39第39页，共59页。(1)电压放大倍数gm=2Kn(VGS-VT) =20.2 (2-1)=0.4mS(2)输入电阻Ri=Rg1/Rg2=6

15、0/40=24K(3)输出电阻R0=Rd=15K+-vi例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解.40第40页，共59页。模型第41页，共59页。5. 3 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister) 5.3.1 结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d

16、(D)，另一端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。第42页，共59页。5.3.2 工作原理ID（1）VGS对导电沟道的影响：VP(VGS(OFF) )：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有绝缘层，只能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，否则将会出现栅流。N沟道结型场效应管工作原理：第43页，共59页。(c) |VGS | = VP ，导电沟道被全夹断(b) 0 VGS 0 但|VGS-VDS| |VP |时的漏极电流 当|vGS - vDS |

17、 | 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：第48页，共59页。输出特性曲线恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性： 输入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。用途:可做放大器和恒流源。条件:(1)源端沟道未夹断 (2)源端沟道予夹断 第49页，共59页。可变电阻区特点:(1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。 （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 第50页，共59页。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 特点：第51页，共59页。转移特性曲线输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制第52页，共59页。5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法1