场效应管及其基本放路课件

1、第3章 场效应管及其基本放大电路3.1结形场效应管3.2砷化镓金属-半导体场效应管3.3金属-氧化物-半导体场效应管3.4场效应管放大电路3.5各种放大器件电路性能比较 3.1 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3.1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2)工作等效（以P沟道为例）UgsIsId1）PN结不加

2、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2）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3）截止工作PNNGID=0IS=IDPN结PN结+-RDVDDUGS耗尽层完全闭合，沟道夹断，

3、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3)、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=4）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。以N型JFET为例：0ugs(v)-4 -3 -2 -1idm

4、A54321VPIDSSN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Sect3.3 MOSFET增强型MOSFET耗尽型MOSFET N沟道增强型MOS场效应管结构3.3.1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+-+-+-U

5、GS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 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（

6、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 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 N沟道增强型MOS场效应管特性曲

7、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 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 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成IDSectSect基础知识 当UDS增加到使UGD=UT时， 当UDS增加到UGDU

8、T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。 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 N沟道耗尽型MOS场效应管结构3.3.2耗尽型MOS场效应管+ + + + + + + 耗尽型MOS管存在原始导电沟道Sect 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

9、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常用关系式：Sect 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

10、可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0Sect3.3.3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绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型Sect场效应管的主要参数直流参数交流参数极限参数Sect2. 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。Sect4. 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IG

11、S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 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率解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2Sect 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Sect3. 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

12、Ron在恒阻区内Sect5. 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：Sect3.3、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) NMOS （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+2）P沟道MOS（M

13、etal 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）(1)工作状态示意图P衬底NNS G D UGSUDSBID耗尽区+ +- - - -GDSBIDUDSUGS(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

14、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(3) IGFET（E）特性曲线UDS可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VTNMOS的输出特性曲线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(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g

15、m= 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=3）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

16、极 S：源极符号：3.4 场效应管放大电路2. 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。当VGS时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，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。（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。当VDS ，使VGD=VG S- VDS=

17、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 、VDS）（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）。 (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（

18、 VGS ）VDS=常数4 .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，与双极型三极管的PCM相当。1. 直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真 二. 场效应管放大电路（1）自偏压电路vGSvGS =- iDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算Q点：VGS 、 ID 、VDSvGS =VDS =VDD- ID (Rd + R )已知VP ，由- iDR可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS （2）分压式自偏压电路VDS =VDD-ID(Rd+R)可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS 计算Q点：已知VP ，由该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。2. 场效